运动对海马齿状回颗粒细胞下层神经发生的促进作用及其与学习记忆能力关系研究进展

黄涛 徐波 赵永才 夏志

1青少年健康评价与运动干预教育部重点实验室，华东师范大学体育与健康学院（上海 200241） 2 唐山师范学院体育系 3 井冈山大学体育学院

传统观点认为，成年哺乳动物脑内不再产生新的神经元，即不存在由神经干细胞介导的神经发生。当神经元受到损伤或发生退行性病变时，只能由神经胶质细胞填充。尽管20世纪中期有研究报道成年哺乳动物神经发生的可能性［1］，但未引起足够重视。直至20世纪90年代，成年哺乳动物神经发生现象逐渐在啮齿类、灵长类动物及人类中得以证实［2，3］。研究表明，成年哺乳动物脑内终身存在神经发生，其发生区位于侧脑室的室管膜下层（subventricular zone，SVZ）和海马齿状回的颗粒细胞下层（subgranular zone，SGZ）。海马齿状回SGZ可终生产生新神经元，而且海马神经发生与学习记忆能力密切相关［4］。

运动可改善学习和记忆能力、延缓神经退行性疾病的发生、促进脑认知功能损伤和抑郁症的恢复［5，6］，运动等环境因素可增强海马齿状回SGZ神经干细胞的增殖、存活和分化，促进神经发生［6］。那么，运动是否通过促进海马齿状回神经发生而改善脑功能呢？本文对该领域研究成果进行综述，探讨海马齿状回SGZ神经发生、学习记忆能力与运动之间的关联，探寻神经发生在运动促进学习记忆过程中的作用及可能机制。

1 神经发生与学习记忆

海马齿状回SGZ神经发生现象的发现引发了人们对新生神经元与学习记忆关系的高度关注。目前，关于神经发生与学习记忆能力关系的研究主要集中在三个方面：新生神经元的数量是否与学习记忆能力正相关？学习训练是否促进神经干细胞增殖、分化和存活？抑制神经发生是否影响学习记忆能力？

1.1 新生神经元数量与学习记忆能力的关系

研究表明，长期应激、衰老等因素可减少哺乳动物海马齿状回SGZ新生神经元的数量，而且同时抑制学习记忆能力［7］。运动等环境因素在增强神经发生的同时，可以促进依赖海马的学习记忆能力［6］。研究提示，新生神经元数量与学习记忆能力正相关。Kempermann等［8］研究发现，神经发生水平较低种系的小鼠在Morris水迷宫中的学习能力较差，而神经发生水平较高种系的小鼠学习能力较好。为进一步明确神经发生水平是否与小鼠依赖海马的学习记忆能力相关，该小组培育了重组近交系小鼠BXD和DBA/2，BXD小鼠来自神经发生较高和学习能力较好种系小鼠的杂交，DBA/2来自神经发生较低和学习能力较差种系小鼠的杂交，结果发现海马齿状回SGZ产生的新神经元数量与小鼠在Morris水迷宫的空间搜索学习能力呈正相关。该结果提示，神经发生参与到依赖海马的学习记忆过程，特别是新信息的获得能力。黎有文等［9］研究了神经发生与记忆形成的关系，发现记忆力强的小鼠海马齿状回的神经干细胞数明显多于记忆力弱组，而记忆力弱组与对照组比较，其神经干细胞数目差异无统计学意义，提示神经发生可能参与了记忆的形成过程。

1.2 学习训练促进神经发生

研究显示，学习训练可以从神经干细胞增殖、存活与分化等方面调控海马齿状回SGZ神经发生。Lemaire等［10］研究发现，Morris水迷宫空间定位航行学习训练可促进成年动物海马神经干细胞增殖，而且海马神经细胞增殖水平与Morris水迷宫训练成绩正相关，细胞增殖水平低的大鼠水迷宫学习成绩较差，细胞增殖水平高的大鼠学习成绩较好。Doborssy等［11］将Morris水迷宫空间定位航行学习训练分为两个阶段（学习成绩快速改善的早期阶段和学习成绩缓慢提高并逐渐稳定的晚期阶段）进行研究时发现，早期阶段学习对海马神经干细胞增殖无影响，晚期阶段学习增加海马齿状回5-溴-2-脱氧尿苷（5-bromo-2-deoxyuridine，BrdU）标记的阳性细胞数量，促进海马神经干细胞增殖。用BrdU标记增殖细胞时发现，正常成年大鼠海马齿状回SGZ新生神经元在DNA合成后2小时至1周内增加，1周至2周逐渐降低，之后趋于稳定。大量新生神经元在生成4周后凋亡，但是这些新生神经元的存活受到不同因素的调控，学习训练有益于实验动物齿状回新生神经元的存活。研究表明，Morris水迷宫空间学习［12］及条件性眨眼反射学习［13］明显促进海马新生神经元的存活。但将动物暴露于相同环境中而未经学习训练，齿状回新生神经元数目无明显变化，提示这一效应主要与学习训练有关。进一步研究发现，依赖海马的学习训练促进齿状回外边缘的新生细胞分化为神经元。这些新生神经元能够形成轴突，与颗粒下层的中间神经元及CA3区神经元形成突触联系。研究表明，依赖于海马的学习任务训练可促进海马齿状回SGZ神经发生，而不依赖海马的学习训练对神经发生无影响［7］。可见，特定的学习任务可以调控齿状回神经发生。

1.3 神经发生在学习记忆过程中的重要作用

以上研究提示，某些学习任务训练可促进海马齿状回SGZ神经发生，但抑制神经发生影响学习记忆能力吗？

当用甲基氧化偶氮甲醇（methylazoxymethanol，MAM）抑制神经细胞增殖时，发现动物海马新生神经元减少的同时，其依赖海马的记忆能力也严重受损。停止给药，细胞增殖水平恢复，海马依赖性记忆也明显改善［14，15］。有学者利用遗传策略构建TLX（又称NR2E1）基因敲除小鼠模型，TLX以细胞自发的方式通过控制细胞增殖和生长的基因网络，调控神经干细胞的增殖。结果表明，通过可诱导重组的方式特异地从成年鼠大脑中去除TLX，可明显降低神经干细胞的增殖能力，同时这些小鼠的空间学习能力也显著降低。但这种对神经元的抑制效应并不影响恐惧条件反射、昼夜节律等其他行为［16］。这些实验证据表明，抑制海马神经发生影响学习记忆能力，提示神经发生在学习记忆过程中发挥重要作用。

2 运动与神经发生

2.1 自主运动与神经发生

研究表明，成年哺乳动物神经发生过程是高度可调控的。Altman等［17］早在1964年就研究了丰富环境（enriched environment）对神经发生的影响，然而在当时未得到明确的结论。最近的研究表明，成体神经发生可受到多种因素的调节，包括运动、衰老、丰富环境和应激等［4］。

一些研究探讨了自主运动对神经干细胞增殖和神经发生的影响，van Praag等［18］探讨了自主跑轮运动（voluntary wheel running）、游泳、学习任务训练和丰富环境对3月龄C57BL/6小鼠海马齿状回SGZ神经发生的影响。结果显示，自主跑轮运动组和丰富环境组小鼠海马齿状回SGZ神经发生增强。丰富环境具有更大活动空间，包含跑轮运动、探新学习等设施，去除跑轮后，丰富环境对神经发生的促进作用减弱。该结果表明，自主运动可促进小鼠海马齿状回SGZ神经发生。但该研究未探讨运动量与神经发生之间的关系。随后的一些研究表明，10天左右的跑轮运动即可增强实验动物神经发生［19，20］。Kronenberg 等［21］较系统地探讨了自主运动对神经发生的影响，结果发现，自主跑轮运动3天后青年小鼠海马齿状回SGZ细胞增殖达到峰值，运动10天后细胞增殖仍显著增加。虽然32天后运动对神经发生的促进作用减退，但此时齿状回未成熟细胞继续增加。实验同时发现，自主运动可促进老年小鼠海马齿状回SGZ神经发生，提示运动可延缓衰老引起的神经发生减退。Synder等［22］探讨了自主运动对6周龄小鼠新生神经细胞存活和功能性整合的作用，结果发现，12天和19天的运动增加海马齿状回SGZ部位新生细胞的数量，并检测到即刻早期基因Arc表达增加，提示运动促进了新生神经细胞的功能性整合。以上研究提示，自主运动不仅可促进海马齿状回SGZ神经发生，也可影响新生神经元的成熟过程，说明运动既对神经发生的数量有影响又对质量有作用。

2.2 运动训练与神经发生

目前，有关运动与脑功能关系的动物实验研究多采用自主跑轮运动，其运动量不易统一和控制。有研究提示，当运动量达到一定的范围才引起神经生物学和行为学的变化，而强制性跑台运动比自主运动更接近人体训练的模式，能更精确、客观地反映运动与脑功能的关系［23］。Kim等［24］研究了1周跑台训练对5周龄SD大鼠神经发生的影响，结果发现，中等强度和低强度的训练均可显著增强大鼠海马齿状回SGZ神经干细胞的增殖。Ra等［25］研究了不同负荷跑台和游泳训练对5周龄SD大鼠海马齿状回SGZ神经发生的影响，结果表明，跑台运动和游泳均促进了大鼠海马齿状回的神经发生，而且发现运动对神经发生的作用具有强度依赖性，较低强度运动的效果更明显。Lou等［26］的研究支持了Ra的报道，同样发现1周低、中强度的跑台训练促进成年大鼠海马齿状回SGZ神经发生和相关基因表达。Wu等［27］研究了5周跑台训练（相当于70%VO2max强度）对成年小鼠神经发生的影响，结果发现，跑台运动促进了成年小鼠海马齿状回SGZ神经干细胞的分化和新生细胞的生长，同时神经突触生长增强。可见，适宜运动训练可促进海马齿状回SGZ神经发生。

3 神经递质在运动促进神经发生中的作用

3.1 谷氨酸（Glu）及其N-甲基-D-天门冬氨酸受体（NMDAR）

运动可影响神经递质的活动。基因芯片研究显示，自主跑轮运动可影响突触可塑性相关基因表达，特别是上调Glu的相关基因［28］。Glu及NMDAR参与调控海马齿状回SGZ神经发生［29］，故运动导致的Glu系统功能的改变，可能影响神经发生和新生神经元的功能。Lou等［26］研究发现低强度跑台运动增加小鼠NMDAR1基因表达水平的同时增强海马齿状回神经发生。Kitamura等［30］的研究则表明当敲除小鼠海马NMDAR1后，运动不能增强海马齿状回神经发生。这些研究提示，Glu及NMDAR可能在运动对神经发生的调控中发挥重要作用。

4 生长因子在运动促进神经发生中的作用

在发育过程中，生长因子是调控中枢和外周神经干细胞增殖和分化的重要细胞外信号因子［35］。这些生长因子在成体神经系统的突触可塑性、学习和记忆、神经发生和运动过程的调控中发挥重要作用。对神经发生起调控作用的生长因子包括血管内皮生长因子（VEGF）、胰岛素样生长因子1（IGF-1）和脑源性神经营养因子（BDNF）等。

海马新生神经元往往聚集在血管附近，并受到血管生长因子的调节，故VEGF对神经发生的作用近年来受到普遍关注。脑室注射VEGF后，海马齿状回SGZ和侧脑室SVZ的BrdU阳性细胞增加。大鼠海马VEGF基因表达增加可促进海马齿状回SGZ神经发生，新生神经元大约增加2倍，同时大鼠学习记忆能力增强［36］。Fabel等［37］研究发现，外周VEGF是运动诱导成年海马神经发生所必需的，阻断外周VEGF可抑制运动诱导的神经发生。这些结果提示，VEGF是运动促进神经发生过程的重要调节因子。

IGF-l在细胞的生长和发育过程中发挥重要调控作用，外周注射IGF-1不仅增加血清IGF-l促进其通过血脑屏障，而且促进成年大鼠海马神经干细胞增殖和神经发生［38］。Anderson等［39］发现，外周注射IGF-1后6天海马齿状回神经干细胞增殖明显，20天后新生细胞表达神经元特定蛋白质的比例明显升高。研究表明，运动可提高血清IGF-1水平及海马IGF-1基因表达和蛋白水平［40］，当阻断外周IGF-1时，运动不能增强海马神经发生［41］。

研究表明，运动、丰富环境等因素可引起脑BDNF表达增加［42］，同样也增强海马神经发生。而当敲除BDNF基因后，丰富环境不能增强小鼠海马神经发生［43］。新近的研究表明，BDNF可能通过作用于TrkB受体激活MAPK、Akt、STAT-3信号级联，进而增强神经干细胞的增殖，促进神经发生［44］。虽尚无直接证据，但这些研究提示，运动可能通过增加海马BDNF含量促进神经发生。

5 运动促进神经发生并增强学习记忆能力

目前，国外有少量研究探讨了运动、神经发生和学习记忆能力之间的关联。

van Praag等［45］研究了1个月的自主跑轮运动对老年小鼠神经发生和学习记忆能力的影响，结果发现，运动提高老年鼠在水迷宫中的学习记忆能力，同时促进小鼠海马齿状回SGZ神经发生。van der Borght等［46］用增殖细胞核蛋白Ki-67标记增殖细胞的方法研究发现，14天的自主跑轮运动增强小鼠海马齿状回SGZ神经发生，同时小鼠在Y迷宫测试中的记忆获得和保持的能力得到提高。

Xu等［47］探讨了强制性跑轮运动对成年大鼠海马齿状回SGZ神经发生的影响，使用BrdU标记增殖细胞，巢蛋白（nestin）标记神经干细胞/前体细胞。结果显示，运动组大鼠海马齿状回SGZ中BrdU及nestin阳性细胞数均明显多于对照组，而且运动对神经发生的促进效应有强度依赖性。同时，Y迷宫检测结果发现，强制性跑轮运动明显改善大鼠的学习能力，表明强制性跑轮运动促进成年大鼠海马神经发生，并改善学习能力。Wu等［48］报道外周注射脂多糖（LPS）抑制小鼠海马齿状回SGZ神经干细胞增殖，并降低依赖海马的恐惧记忆和空间记忆能力。5周中等强度跑台训练后，小鼠神经干细胞增殖恢复，分化增加，同时记忆能力也恢复。以上研究提示，适宜运动增强海马齿状回SGZ神经发生并促进学习记忆能力。

6 小结

越来越多的证据表明，适宜的运动有益于脑健康，可改善实验动物和人的学习记忆能力，但其潜在的机理并不明了。近年来，海马齿状回SGZ神经发生现象的发现为探讨运动促进学习记忆能力的机制提供了新的思路和方向。研究显示，海马齿状回SGZ神经发生可能参与到大脑学习记忆过程，而且适宜的运动可通过增强海马齿状回SGZ神经发生进而促进学习记忆能力。某些神经递质和生长因子在运动促进神经发生的过程中发挥重要作用。然而，该领域的研究尚处于起步阶段，深入的研究仍需进一步开展。

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