自愿转轮运动对抑郁模型大鼠学习记忆及纹状体单胺类神经递质和c-fos表达的影响

苏晓云，崔建梅，贺继平，张涌静

（1.山西医科大学汾阳学院护理学系，山西汾阳032200；2.中北大学体育学院，太原030051；3.山西医科大学汾阳学院解剖学教研室，山西汾阳032200）

自愿转轮运动对抑郁模型大鼠学习记忆及纹状体单胺类神经递质和c-fos表达的影响

苏晓云1，崔建梅2，贺继平3，张涌静1

（1.山西医科大学汾阳学院护理学系，山西汾阳032200；2.中北大学体育学院，太原030051；3.山西医科大学汾阳学院解剖学教研室，山西汾阳032200）

目的探讨4周自愿转轮运动对慢性不可预知性应激致抑郁大鼠旷场行为及空间学习记忆能力、纹状体单胺类神经递质和c-fos表达的影响。方法将30只大鼠随机分为3组：对照组、应激模型组及应激运动组。应激模型组及应激运动组大鼠，每日进行慢性不可预知性应激1次，连续28 d，同时应激运动组大鼠进行4周自愿转轮运动。结果与应激模型组比较：应激运动组大鼠穿越格数、直立次数及修饰次数显著增多粪便颗粒显著减少；应激运动组大鼠糖水摄入量、总摄入量及糖水偏爱百分比均高于应激模型组；应激运动组大鼠完成八臂迷宫时间显著缩短、工作记忆错误次数、参考记忆错误次数均显著减少，总错误次数远远低于应激模型组；应激运动组纹状体c-fos免疫阳性细胞数量及平均光密度均显著增加。结论长期自愿转轮运动可提高抑郁模型大鼠的学习记忆能力，机理可能与自愿转轮运动增加纹状体单胺类神经递质水平，有效调整中枢神经递质紊乱，上调纹状体c-fos的表达有关。

自愿转轮运动；抑郁大鼠；学习记忆；纹状体；单胺类神经递质；c-fos

抑郁症是一种以情感病态变化，主要是情绪低落为显著特征的精神疾病，它的发病与逐渐增大的各种压力带来的应激性事件有关。慢性不可预知性应激（chronic unpredictable stress，CUS）是近年来国内外应用最为广泛的抑郁动物模型之一，它可模拟抑郁的核心症状-快感缺乏及行为绝望，目前被广泛运用于抑郁症的病理生理机制、抗抑郁药物研发及作用机制的研究。学习记忆能力降低是抑郁症状的重要表现，许多实验表明一定程度的应激可以引起大鼠及人类学习记忆能力的减退［1］，而运动锻炼具有改善人们不良情绪的作用，对于抑郁症的发病有一定的预防作用［2］。纹状体与人的情感活动有关。近年来围绕抑郁模型大鼠学习记忆与大鼠核团c-fos的研究较多，但纹状体区单胺类神经递质与c-fos的关系未多见报道，且长期有氧运动改善抑郁模型大鼠学习记忆的机制尚不清楚。因此，本研究通过复制CUS大鼠模型，观察长期慢性自愿转轮运动对CUS模型大鼠空间学习记忆能力及纹状体单胺类神经递质多巴胺（dopamine，DA）、去甲肾上腺素（norepinephrine，NE）、5-羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）水平和c-fos表达的变化，探讨自愿转轮运动提高抑郁模型大鼠学习记忆能力的可能机制。

1 材料与方法

雄性健康成年SD大鼠30只（3月龄），均购于山西医科大学动物饲养中心（动物许可证号SCXK-2009-0001），体质量（200～220）g，室温（20±1）℃，湿度（55±10）%，12 h昼/12 h夜明暗控制（07：00～19：00），大鼠自由摄食、饮水（除了在应激和水剥夺阶段），大鼠购回后适应环境1周，将30只大鼠随机分为3组：正常对照组、应激模型组及应激运动组，每组10只。应激模型组及应激运动组大鼠单独喂养。制备慢性不可预知性应激模型，试剂NE、DA及5-HT试剂盒均购于Sigma公司；c-fos测定试剂盒武汉博士德生物工程有限公司生产。对3组实验动物进行旷场试验、糖水偏爱实验以及八臂迷宫行为测试实验。测定其单胺类神经递质NE、DA及5-HT的含量。通过对脑组织的取材以及免疫组织化学染色，进行图像分析，检测fos蛋白阳性细胞的个数。采用SPSS l7.0统计软件包进行统计分析，数据结果用表示，采用单因素方差分析对组间差异进行统计，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 大鼠旷场实验测试结果

图1、图2结果显示：与对照组［穿越格数（44.70±16.52）格；直立次数（35.00±10.19）次；修饰次数（9.13±2.54）次）］比较，应激模型组大鼠穿越格数［（25.91±12.23格）］、直立次数［（15.51±2.52）次］及修饰次数［（4.53±2.13）次］均显著减少（均P＜0.01），穿越格数平均减少18.79格，直立次数减少19.49次，修饰次数平均减少4.6次，粪便颗粒［（7.5± 2.3）颗］显著多于对照组（P＜0.01）。经过4周自愿转轮运动，应激运动组大鼠穿越格数［（36.40± 16.80）格］、直立次数［（29.25±6.18）次］及修饰次数［（7.53±3.33）次］均显著高于应激模型组（P＜0.01，P＜0.01，P＜0.05），粪便颗粒［（5.1±1.6）颗］低于应激模型组（P＜0.05），提示慢性应激可以导致大鼠抑郁样行为，而长期自愿转轮运动可以改善大鼠慢性应激导致的抑郁样行为。

图1 各组大鼠穿格次数、直立次数及修饰次数测试结果Fig.1 Results of crossing squares，the times of rearing and modification number in every group

图2 各组大鼠粪便颗粒测试结果Fig.2 Results of feces particles in every group rats

2.2 大鼠糖水偏爱实验测试结果

如表1所示：应激模型组大鼠糖水摄入量、总摄入量及糖水偏爱百分比均低于对照组（P＜0.01，P＜0.05，P＜0.01），应激运动组大鼠糖水摄入量及糖水偏爱百分比均低于对照组（均P＜0.05），总摄入量与对照组比较无统计学差异（P＞0.05）；经过4周自愿转轮运动，应激运动组糖水摄入量、总摄入量及糖水偏爱百分比均高于应激模型组（均P＜0.05），提示慢性应激可以导致大鼠快感缺乏，而长期自愿转轮运动可以改善大鼠慢性应激导致的兴趣水平的降低。

表1 各组大鼠糖水偏爱实验测试结果Tab.1 Results of sugar water preference test in rats of every group

表1 各组大鼠糖水偏爱实验测试结果Tab.1 Results of sugar water preference test in rats of every group

Compared with the control group 1）P＜0.01，2）P＜0.05；Compared with the stress model group，3）P＜0.05.

2.3 大鼠八臂迷宫实验测试结果

表2结果显示：与对照组比较，应激模型组及应激运动组大鼠完成八臂迷宫时间显著延长（P＜0.01，P＜0.05），应激模型组增加115.20 s，应激运动组增加42.83 s；与应激模型组比较，经过长期自愿转轮运动，应激运动组大鼠完成八臂迷宫时间显著缩短（P＜0.01），平均时间缩短75.37 s。

表2 各组大鼠八臂迷宫测试结果Tab.2 Results of 8-arms radial maze in rats of every group

表2 各组大鼠八臂迷宫测试结果Tab.2 Results of 8-arms radial maze in rats of every group

1）P＜0.01，2）P＜0.05，compared with the control group；3）P＜0.01，4）P＜0.05，compared with the stress model group.

与对照组比较，应激模型组工作记忆错误次数（WME）显著增多（P＜0.05），平均增加3.11次；参考记忆错误次数（RME）显著增多（P＜0.01），总错误次数（TE）远远高于对照组（P＜0.01），平均增加7.11次；与对照组比较，应激运动组WME增多，但无统计学差异（P＞0.05），RME及TT均显著增多（P＜0.05）；与应激模型组比较，应激运动组WME、RME均显著减少（P＜0.01，P＜0.05），总错误次数（TE）远远低于应激模型组（P＜0.01），应激运动组平均减少4.58次。

2.4 大鼠单胺类神经递质测试结果

表3结果显示：与对照组比较，应激模型组及应激运动组大鼠纹状体NE含量明显降低（P＜0.01，P＜0.05），降低幅度分别为35%及15%；与应激模型组比较，应激运动组大鼠NE显著增高，增高幅度为30%（P＜0.05）。与对照组比较，应激模型组及应激运动组大鼠DA含量均显著降低（P＜0.01，P＜0.05），降低幅度分别为27%及24%；与应激模型组比较，应激运动组DA有增高的趋势，但没有显著性差异（P＞0.05）。

表3 大鼠纹状体单胺类神经递质测量结果Tab.3 Results of monoamine neurotransmitter contents in striatum of all rats

表3 大鼠纹状体单胺类神经递质测量结果Tab.3 Results of monoamine neurotransmitter contents in striatum of all rats

1）P＜0.01，2）P＜0.05，compared with the control group；3）P＜0.05，compared with the stress model group.

与对照组比较，应激模型组及应激运动组大鼠5-HT含量显著下降（P＜0.01，P＜0.05），降低幅度分别为29%及17%；与应激模型组比较，应激运动组大鼠5-HT含量显著增高（P＜0.05），增高幅度为16%。以上结果提示长期自愿转轮运动可有效调整脑组织纹状体单胺类神经递质代谢紊乱，从而改善去抑郁模型大鼠的学习记忆能力。

2.5 各组大鼠纹状体c-fos蛋白表达的变化

光镜下纹状体内分布有大量c-fos，免疫阳性表达呈棕黄色，低倍镜下为棕黄色小圆点，染色均匀，高倍镜下为圆形和椭圆形的棕黄色神经元（图3），定位于神经元胞体和突起的胞浆内，细胞核着色。

由表4、图3可知：与对照组比较，应激模型组大鼠纹状体c-fos免疫阳性细胞数目及平均光密度均显著减少（均P＜0.01），降低幅度分别为49%及23%；与应激模型组比较，应激运动组纹状体c-fos免疫阳性细胞数目和平均光密度均增加（均P＜0.05），增加幅度分别为36%及18%。

表4 大鼠纹状体c-fos免疫阳性细胞数量、面积和灰度结果Tab.4 Number and absorbance of c-fos immunopositive neurons in the striatum

表4 大鼠纹状体c-fos免疫阳性细胞数量、面积和灰度结果Tab.4 Number and absorbance of c-fos immunopositive neurons in the striatum

1）P＜0.01，2）P＜0.05，compared with the control group；3）P＜0.05，compared with the stress model group.

图3 ABC免疫组织化学染色结果×400Fig.3 ABC immunohistochemistry staining results×400

3 讨论

3.1 自愿转轮运动对抑郁模型大鼠旷场实验及糖水偏爱实验的影响

抑郁症是一种以情绪低落、兴趣减退、精神运动迟滞的“三低”症状为主要表现的疾病。本研究所涉及的行为学实验中，糖水偏爱实验评价的是快感缺失水平，这是人类抑郁症的核心症状，在动物抑郁模型中表现为对糖水的偏爱降低；旷场实验可用来测试动物中枢神经系统的“兴奋”或“抑郁”状态，穿越格数及直立次数反映大鼠的探究行为，修饰（理毛）次数及粪便颗粒反映大鼠对环境警觉性的高低及紧张程度。本实验结果显示，应激模型组大鼠穿越格数、直立次数及修饰次数均显著减少，粪便颗粒增加，糖水消耗量和糖水偏爱百分比显著下降，这些行为改变表明长期慢性应激使大鼠活动及探究能力降低，对新鲜环境的好奇程度下降，快感缺乏，紧张程度增加，运动迟滞，表现为抑郁样。经过4周自愿转轮运动，应激运动组大鼠穿越格数、直立次数及修饰次数均显著增多，粪便颗粒减少，糖水消耗量和糖水偏爱百分比显著增加，说明长期自愿转轮运动可以在一定程度上改善应激大鼠的抑郁样行为及快感缺失，与研究结果一致［3］。

3.2 自愿转轮运动对抑郁模型大鼠纹状体单胺类神经递质及学习记忆的影响

抑郁症的发病机制目前还不清楚，占主导地位的观点是脑内单胺类神经递质代谢失常学说。陈瑶等研究发现，大鼠在经过连续21 d的应激刺激后，抑郁症模型大鼠脑皮质、海马和下丘脑NE、5-HT和DA及其代谢产物总量都有减少［4］，本实验的研究结果与前人一致，经过连续28 d的应激刺激后，抑郁症模型大鼠纹状体NE、DA及5-HT含量均显著下降，说明抑郁症发病过程中大脑3种单胺类神经递质都出现了含量与功能的改变，并且都在不同程度上参与了抑郁情绪的调节，出现抑郁样行为。

本实验中，应激模型组大鼠经过4周慢性不可预知性应激与正常组大鼠比较完成八臂迷宫时间延长115.20 s，工作记忆错误次数、参考记忆错误次数及总错误次数均显著增多，说明长期慢性应激已明显削弱了大鼠的学习记忆能力，与Hoffman等［5］研究结果一致。单胺类神经递质是脑内涉及学习记忆及相关认知过程中神经活动调控的重要神经递质，在学习记忆过程中发挥着重要作用，抑郁大鼠经过4周自愿转轮运动大鼠完成八臂迷宫时间缩短75.37 s，参考记忆错误及总错误次数显著减少，说明长期自愿转轮运动可以在一定程度上改善抑郁模型大鼠的学习记忆能力。因此可推测，长期慢性应激所致的大鼠学习记忆障碍可能与纹状体NE、DA及5-HT下降有关，而长期自愿转轮运动提高抑郁模型大鼠学习记忆可能是通过部分逆转纹状体神经元病理改变或通过某种途径促进单氨类神经递质水平有关，具体机制需进一步研究。

3.3 自愿转轮运动对抑郁模型大鼠纹状体c-fos表达的影响

纹状体是与应激密切相关的脑区，也是产生各种动机和情绪行为的重要结构。Crema等［6］经过40 d的慢性应激发现纹状体与大鼠的抑郁样行为有关，在大鼠的抑郁样行为中起重要作用。Knapska等［7］研究发现，慢性应激导致大鼠学习记忆能力明显下降，同时大脑、前额叶皮质、杏仁核、海马DG区c-fos的表达明显减少。

本研究也得到相同结果，长期慢性应激模型组大鼠纹状体c-fos表达显著减少，可能由于长期慢性应激导致HPA轴功能亢进以及高浓度的糖皮质激素（GCs），高浓度的GCs可能会导致纹状体神经细胞变性坏死，从而引起c-fos在神经元受损后表达降低。而应激运动组大鼠自愿转轮运动4周后纹状体c-fos阳性细胞表达明显增多，提示应激大鼠经过长期自愿转轮运动提高学习记忆能力可能与纹状体c-fos表达增强有关，但是纹状体c-fos增强的机制仍不清楚。可能的原因是由于长期自愿转轮运动可以引起脑内突触前膜多巴胺、5-羟色胺，NE等神经递质浓度改变，本实验已经证实了这一点。这些神经递质作为细胞间传递信息的第一信使，作用于突触后膜的相关受体，纹状体内含大量多巴胺能受体、5-HT受体、去甲肾上腺素能受体。而许多学者研究证实，多巴胺、去甲肾上腺素及5-HT可以上调PKC的活性，从而诱导c-fos的表达［8］。fos蛋白作为第三信使可能参与调节与学习相关的效应基因的表达，导致长时记忆的形成，增强抑郁模型大鼠学习记忆能力，具体机制有待进一步研究。

本实验结果显示：大鼠经过4周慢性不可预知的应激纹状体单胺类神经递质NE、5-HT含量降低，原癌基因c-fos阳性神经元的表达明显减少，提示纹状体单胺类神经递质及c-fos的变化与慢性应激导致的大鼠的抑郁样行为及学习记忆有关。经过长期自愿转轮运动，大鼠纹状体单胺类神经递质NE、5-HT含量增高，c-fos表达增加，提示长期自愿转轮运动可以有效调整纹状体单胺类神经递质水平，上调c-fos的表达，从而改善抑郁模型大鼠的抑郁样行为及学习记忆能力，具体机制有待进一步研究。

［1］Boeker H，Schulze J，Richter A，et al.Sustained cognitive impairments after clinical recovery of severe depression［J］.J Nerv Ment Dis，2012，200（9）：773-776.

［2］He SB，Tang WG，Tang WJ，et al.Exercise intervention may prevent depression［J］.Int J Sports Med，2012，33（7）：525-530.

［3］Binder E，Droste SK，Ohl F，et al.Regular voluntary exercise reduces anxiety-related behaviour and impulsiveness in mice［J］.Behav Brain Res，2004，155（2）：197-206.

［4］陈瑶，韩婷，芮耀诚，等.积雪草总苷对实验性抑郁症大鼠血清皮质酮和单胺类神经递质的影响［J］.中药材，2005，28（6）：493-496.

［5］Hoffman AN，Krigbaum A，Ortiz JB，et al.Recovery after chronic stress within spatial reference and working memory domains：correspondence with hippocampal morphology［J］.Eur J Neurosci，2011，34（6）：1023-1030.

［6］Crema LM，Pettenuzzo LF，Schlabitz M，et al.The effect of unpredictable chronic mild stress on depressive-like behavior and on hippocampal A1 and striatal A2A adenosine receptors［J］.Physiol Behav，2013，109：1-7.

［7］Knapska E，Maren S.Reciprocal patterns of c-Fos expression in the medial prefrontal cortex and amygdala after extinction and renewal of conditioned fear［J］.Learn Mem，2009，16（8）：486-493.

［8］Sun WL，Zhou L，Hazim R，et al.Effects of dopamine and NMDA receptors on cocaine-induced Fos expression in the striatum of Fischer rats［J］.Brain Res，2008，1243：1-9.

（编辑 裘孝琦）

EffectsofVoluntary Wheeling Exercise on Learning and Memory and C-fos Expression within Striatum in the RatModelofDepression

SUXiao-yun1，CUIjian-mei2，HE Ji-ping3，ZHANGYong-jing1
（1.Nursing Department of Fenyang College of Shanxi Medical University，Fenyang，Shanxi 032200；2.Physical Education Department，North University of China，Taiyuan 030051，China；3.Auatomy Deparment in Fenyang College Shanxi Medical University，Fenyang，Shanxi032200）

ObjectiveTo explore the influence ofthe 4-week voluntary wheeling exercise on the open-field behaviorand learning and memory ability，monoamine neurotransmitter contents and c-fos expression within striatum of brain in the depressive rat models induced by Chronic Unpredictable Stress（CNS）.MethodsA total of 30 SD rats were randomly divided into 3 groups：the control group（C），the stress model group（SC）and stressexercise group（SE）.The rats ofSEand SMgroup received CNS every day for28 days.Atthe same time，the rats ofSEgroup received 4-week voluntary wheeling exercise.ResultsCompared with the SC group，crossing squares，the times of rearing and grooming number significantly increased，fecesparticles significantly decreased in the SE group；sucrose water intake，totalintake and sucrose consumption ratio was significantly increased in the SE group；the time of completing 8-arms radial maze shortened，WME and RME notably reduced，TE was less than that of the SC group；the amount and absorbance of c-fos in striatum was obviously increased in the SE group.ConclusionThe voluntary wheeling exercise can enhance the learning and memory ability of the depressive rats，its mechanism might be that treadmill exercise increased the concentration of monoamine neurotransmitter，which effectively adjusted monoamine neurotransmitter disorders and reinforced the expression of c-fos in striatum at the same time.

voluntary wheeling exercise；depressive rats；learning and memory；striatum；monoamine neurotransmitter；c-fos

R749.4

A

0258-4646（2014）09-0836-05

中北大学科学基金（2011-2013）

苏晓云（1982-），女，讲师，硕士.

崔建梅，E-mail：cuijm224@163.com

2014-04-29

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