運動對海馬齒狀回顆粒細胞下層神經發生的促進作用及其與學習記憶能力關系研究進展

黃濤 徐波 趙永才 夏志

1青少年健康評價與運動干預教育部重點實驗室，華東師范大學體育與健康學院（上海 200241） 2 唐山師范學院體育系 3 井岡山大學體育學院

傳統觀點認為，成年哺乳動物腦內不再產生新的神經元，即不存在由神經干細胞介導的神經發生。當神經元受到損傷或發生退行性病變時，只能由神經膠質細胞填充。盡管20世紀中期有研究報道成年哺乳動物神經發生的可能性［1］，但未引起足夠重視。直至20世紀90年代，成年哺乳動物神經發生現象逐漸在嚙齒類、靈長類動物及人類中得以證實［2，3］。研究表明，成年哺乳動物腦內終身存在神經發生，其發生區位于側腦室的室管膜下層（subventricular zone，SVZ）和海馬齒狀回的顆粒細胞下層（subgranular zone，SGZ）。海馬齒狀回SGZ可終生產生新神經元，而且海馬神經發生與學習記憶能力密切相關［4］。

運動可改善學習和記憶能力、延緩神經退行性疾病的發生、促進腦認知功能損傷和抑郁癥的恢復［5，6］，運動等環境因素可增強海馬齒狀回SGZ神經干細胞的增殖、存活和分化，促進神經發生［6］。那么，運動是否通過促進海馬齒狀回神經發生而改善腦功能呢？本文對該領域研究成果進行綜述，探討海馬齒狀回SGZ神經發生、學習記憶能力與運動之間的關聯，探尋神經發生在運動促進學習記憶過程中的作用及可能機制。

1 神經發生與學習記憶

海馬齒狀回SGZ神經發生現象的發現引發了人們對新生神經元與學習記憶關系的高度關注。目前，關于神經發生與學習記憶能力關系的研究主要集中在三個方面：新生神經元的數量是否與學習記憶能力正相關？學習訓練是否促進神經干細胞增殖、分化和存活？抑制神經發生是否影響學習記憶能力？

1.1 新生神經元數量與學習記憶能力的關系

研究表明，長期應激、衰老等因素可減少哺乳動物海馬齒狀回SGZ新生神經元的數量，而且同時抑制學習記憶能力［7］。運動等環境因素在增強神經發生的同時，可以促進依賴海馬的學習記憶能力［6］。研究提示，新生神經元數量與學習記憶能力正相關。Kempermann等［8］研究發現，神經發生水平較低種系的小鼠在Morris水迷宮中的學習能力較差，而神經發生水平較高種系的小鼠學習能力較好。為進一步明確神經發生水平是否與小鼠依賴海馬的學習記憶能力相關，該小組培育了重組近交系小鼠BXD和DBA/2，BXD小鼠來自神經發生較高和學習能力較好種系小鼠的雜交，DBA/2來自神經發生較低和學習能力較差種系小鼠的雜交，結果發現海馬齒狀回SGZ產生的新神經元數量與小鼠在Morris水迷宮的空間搜索學習能力呈正相關。該結果提示，神經發生參與到依賴海馬的學習記憶過程，特別是新信息的獲得能力。黎有文等［9］研究了神經發生與記憶形成的關系，發現記憶力強的小鼠海馬齒狀回的神經干細胞數明顯多于記憶力弱組，而記憶力弱組與對照組比較，其神經干細胞數目差異無統計學意義，提示神經發生可能參與了記憶的形成過程。

1.2 學習訓練促進神經發生

研究顯示，學習訓練可以從神經干細胞增殖、存活與分化等方面調控海馬齒狀回SGZ神經發生。Lemaire等［10］研究發現，Morris水迷宮空間定位航行學習訓練可促進成年動物海馬神經干細胞增殖，而且海馬神經細胞增殖水平與Morris水迷宮訓練成績正相關，細胞增殖水平低的大鼠水迷宮學習成績較差，細胞增殖水平高的大鼠學習成績較好。Doborssy等［11］將Morris水迷宮空間定位航行學習訓練分為兩個階段（學習成績快速改善的早期階段和學習成績緩慢提高并逐漸穩定的晚期階段）進行研究時發現，早期階段學習對海馬神經干細胞增殖無影響，晚期階段學習增加海馬齒狀回5-溴-2-脫氧尿苷（5-bromo-2-deoxyuridine，BrdU）標記的陽性細胞數量，促進海馬神經干細胞增殖。用BrdU標記增殖細胞時發現，正常成年大鼠海馬齒狀回SGZ新生神經元在DNA合成后2小時至1周內增加，1周至2周逐漸降低，之后趨于穩定。大量新生神經元在生成4周后凋亡，但是這些新生神經元的存活受到不同因素的調控，學習訓練有益于實驗動物齒狀回新生神經元的存活。研究表明，Morris水迷宮空間學習［12］及條件性眨眼反射學習［13］明顯促進海馬新生神經元的存活。但將動物暴露于相同環境中而未經學習訓練，齒狀回新生神經元數目無明顯變化，提示這一效應主要與學習訓練有關。進一步研究發現，依賴海馬的學習訓練促進齒狀回外邊緣的新生細胞分化為神經元。這些新生神經元能夠形成軸突，與顆粒下層的中間神經元及CA3區神經元形成突觸聯系。研究表明，依賴于海馬的學習任務訓練可促進海馬齒狀回SGZ神經發生，而不依賴海馬的學習訓練對神經發生無影響［7］。可見，特定的學習任務可以調控齒狀回神經發生。

1.3 神經發生在學習記憶過程中的重要作用

以上研究提示，某些學習任務訓練可促進海馬齒狀回SGZ神經發生，但抑制神經發生影響學習記憶能力嗎？

當用甲基氧化偶氮甲醇（methylazoxymethanol，MAM）抑制神經細胞增殖時，發現動物海馬新生神經元減少的同時，其依賴海馬的記憶能力也嚴重受損。停止給藥，細胞增殖水平恢復，海馬依賴性記憶也明顯改善［14，15］。有學者利用遺傳策略構建TLX（又稱NR2E1）基因敲除小鼠模型，TLX以細胞自發的方式通過控制細胞增殖和生長的基因網絡，調控神經干細胞的增殖。結果表明，通過可誘導重組的方式特異地從成年鼠大腦中去除TLX，可明顯降低神經干細胞的增殖能力，同時這些小鼠的空間學習能力也顯著降低。但這種對神經元的抑制效應并不影響恐懼條件反射、晝夜節律等其他行為［16］。這些實驗證據表明，抑制海馬神經發生影響學習記憶能力，提示神經發生在學習記憶過程中發揮重要作用。

2 運動與神經發生

2.1 自主運動與神經發生

研究表明，成年哺乳動物神經發生過程是高度可調控的。Altman等［17］早在1964年就研究了豐富環境（enriched environment）對神經發生的影響，然而在當時未得到明確的結論。最近的研究表明，成體神經發生可受到多種因素的調節，包括運動、衰老、豐富環境和應激等［4］。

一些研究探討了自主運動對神經干細胞增殖和神經發生的影響，van Praag等［18］探討了自主跑輪運動（voluntary wheel running）、游泳、學習任務訓練和豐富環境對3月齡C57BL/6小鼠海馬齒狀回SGZ神經發生的影響。結果顯示，自主跑輪運動組和豐富環境組小鼠海馬齒狀回SGZ神經發生增強。豐富環境具有更大活動空間，包含跑輪運動、探新學習等設施，去除跑輪后，豐富環境對神經發生的促進作用減弱。該結果表明，自主運動可促進小鼠海馬齒狀回SGZ神經發生。但該研究未探討運動量與神經發生之間的關系。隨后的一些研究表明，10天左右的跑輪運動即可增強實驗動物神經發生［19，20］。Kronenberg 等［21］較系統地探討了自主運動對神經發生的影響，結果發現，自主跑輪運動3天后青年小鼠海馬齒狀回SGZ細胞增殖達到峰值，運動10天后細胞增殖仍顯著增加。雖然32天后運動對神經發生的促進作用減退，但此時齒狀回未成熟細胞繼續增加。實驗同時發現，自主運動可促進老年小鼠海馬齒狀回SGZ神經發生，提示運動可延緩衰老引起的神經發生減退。Synder等［22］探討了自主運動對6周齡小鼠新生神經細胞存活和功能性整合的作用，結果發現，12天和19天的運動增加海馬齒狀回SGZ部位新生細胞的數量，并檢測到即刻早期基因Arc表達增加，提示運動促進了新生神經細胞的功能性整合。以上研究提示，自主運動不僅可促進海馬齒狀回SGZ神經發生，也可影響新生神經元的成熟過程，說明運動既對神經發生的數量有影響又對質量有作用。

2.2 運動訓練與神經發生

目前，有關運動與腦功能關系的動物實驗研究多采用自主跑輪運動，其運動量不易統一和控制。有研究提示，當運動量達到一定的范圍才引起神經生物學和行為學的變化，而強制性跑臺運動比自主運動更接近人體訓練的模式，能更精確、客觀地反映運動與腦功能的關系［23］。Kim等［24］研究了1周跑臺訓練對5周齡SD大鼠神經發生的影響，結果發現，中等強度和低強度的訓練均可顯著增強大鼠海馬齒狀回SGZ神經干細胞的增殖。Ra等［25］研究了不同負荷跑臺和游泳訓練對5周齡SD大鼠海馬齒狀回SGZ神經發生的影響，結果表明，跑臺運動和游泳均促進了大鼠海馬齒狀回的神經發生，而且發現運動對神經發生的作用具有強度依賴性，較低強度運動的效果更明顯。Lou等［26］的研究支持了Ra的報道，同樣發現1周低、中強度的跑臺訓練促進成年大鼠海馬齒狀回SGZ神經發生和相關基因表達。Wu等［27］研究了5周跑臺訓練（相當于70%VO2max強度）對成年小鼠神經發生的影響，結果發現，跑臺運動促進了成年小鼠海馬齒狀回SGZ神經干細胞的分化和新生細胞的生長，同時神經突觸生長增強。可見，適宜運動訓練可促進海馬齒狀回SGZ神經發生。

3 神經遞質在運動促進神經發生中的作用

3.1 谷氨酸（Glu）及其N-甲基-D-天門冬氨酸受體（NMDAR）

運動可影響神經遞質的活動。基因芯片研究顯示，自主跑輪運動可影響突觸可塑性相關基因表達，特別是上調Glu的相關基因［28］。Glu及NMDAR參與調控海馬齒狀回SGZ神經發生［29］，故運動導致的Glu系統功能的改變，可能影響神經發生和新生神經元的功能。Lou等［26］研究發現低強度跑臺運動增加小鼠NMDAR1基因表達水平的同時增強海馬齒狀回神經發生。Kitamura等［30］的研究則表明當敲除小鼠海馬NMDAR1后，運動不能增強海馬齒狀回神經發生。這些研究提示，Glu及NMDAR可能在運動對神經發生的調控中發揮重要作用。

4 生長因子在運動促進神經發生中的作用

在發育過程中，生長因子是調控中樞和外周神經干細胞增殖和分化的重要細胞外信號因子［35］。這些生長因子在成體神經系統的突觸可塑性、學習和記憶、神經發生和運動過程的調控中發揮重要作用。對神經發生起調控作用的生長因子包括血管內皮生長因子（VEGF）、胰島素樣生長因子1（IGF-1）和腦源性神經營養因子（BDNF）等。

海馬新生神經元往往聚集在血管附近，并受到血管生長因子的調節，故VEGF對神經發生的作用近年來受到普遍關注。腦室注射VEGF后，海馬齒狀回SGZ和側腦室SVZ的BrdU陽性細胞增加。大鼠海馬VEGF基因表達增加可促進海馬齒狀回SGZ神經發生，新生神經元大約增加2倍，同時大鼠學習記憶能力增強［36］。Fabel等［37］研究發現，外周VEGF是運動誘導成年海馬神經發生所必需的，阻斷外周VEGF可抑制運動誘導的神經發生。這些結果提示，VEGF是運動促進神經發生過程的重要調節因子。

IGF-l在細胞的生長和發育過程中發揮重要調控作用，外周注射IGF-1不僅增加血清IGF-l促進其通過血腦屏障，而且促進成年大鼠海馬神經干細胞增殖和神經發生［38］。Anderson等［39］發現，外周注射IGF-1后6天海馬齒狀回神經干細胞增殖明顯，20天后新生細胞表達神經元特定蛋白質的比例明顯升高。研究表明，運動可提高血清IGF-1水平及海馬IGF-1基因表達和蛋白水平［40］，當阻斷外周IGF-1時，運動不能增強海馬神經發生［41］。

研究表明，運動、豐富環境等因素可引起腦BDNF表達增加［42］，同樣也增強海馬神經發生。而當敲除BDNF基因后，豐富環境不能增強小鼠海馬神經發生［43］。新近的研究表明，BDNF可能通過作用于TrkB受體激活MAPK、Akt、STAT-3信號級聯，進而增強神經干細胞的增殖，促進神經發生［44］。雖尚無直接證據，但這些研究提示，運動可能通過增加海馬BDNF含量促進神經發生。

5 運動促進神經發生并增強學習記憶能力

目前，國外有少量研究探討了運動、神經發生和學習記憶能力之間的關聯。

van Praag等［45］研究了1個月的自主跑輪運動對老年小鼠神經發生和學習記憶能力的影響，結果發現，運動提高老年鼠在水迷宮中的學習記憶能力，同時促進小鼠海馬齒狀回SGZ神經發生。van der Borght等［46］用增殖細胞核蛋白Ki-67標記增殖細胞的方法研究發現，14天的自主跑輪運動增強小鼠海馬齒狀回SGZ神經發生，同時小鼠在Y迷宮測試中的記憶獲得和保持的能力得到提高。

Xu等［47］探討了強制性跑輪運動對成年大鼠海馬齒狀回SGZ神經發生的影響，使用BrdU標記增殖細胞，巢蛋白（nestin）標記神經干細胞/前體細胞。結果顯示，運動組大鼠海馬齒狀回SGZ中BrdU及nestin陽性細胞數均明顯多于對照組，而且運動對神經發生的促進效應有強度依賴性。同時，Y迷宮檢測結果發現，強制性跑輪運動明顯改善大鼠的學習能力，表明強制性跑輪運動促進成年大鼠海馬神經發生，并改善學習能力。Wu等［48］報道外周注射脂多糖（LPS）抑制小鼠海馬齒狀回SGZ神經干細胞增殖，并降低依賴海馬的恐懼記憶和空間記憶能力。5周中等強度跑臺訓練后，小鼠神經干細胞增殖恢復，分化增加，同時記憶能力也恢復。以上研究提示，適宜運動增強海馬齒狀回SGZ神經發生并促進學習記憶能力。

6 小結

越來越多的證據表明，適宜的運動有益于腦健康，可改善實驗動物和人的學習記憶能力，但其潛在的機理并不明了。近年來，海馬齒狀回SGZ神經發生現象的發現為探討運動促進學習記憶能力的機制提供了新的思路和方向。研究顯示，海馬齒狀回SGZ神經發生可能參與到大腦學習記憶過程，而且適宜的運動可通過增強海馬齒狀回SGZ神經發生進而促進學習記憶能力。某些神經遞質和生長因子在運動促進神經發生的過程中發揮重要作用。然而，該領域的研究尚處于起步階段，深入的研究仍需進一步開展。

［1］A1tman J and Das GD. Autoradiographic and histologieal evidence of postnatal hippocampal neurogenesis in rats. J Comp Neurol，1965，124（3）：319-335.

［2］Eriksson P，Per fi lieva E，Bjork-Eriksson T，et al. Neurogenesis in the Adult human hippocampus. Nat Med，1998，4（11）：1313-1317.

［3］Gross CG. Neurogenesis in the adult brain：death of a dogma. Nat Rev Neurosci，2000，1（1）：67-73.

［4］Zhao C，Deng W and Gage FH. Mechanisms and functional implications of adult neurogenesis. Cell，2008，132（4）：645-660.

［5］van Praag H. Exercise and the brain：something to chew on. Trends Neurosci，2009，32（5）：283-290.

［6］van Praag H. Neurogenesis and exercise：past and future directions. Neuromolecular Med，2008，10（2）：128-140.

［7］Leuner B，Gould E and Shors TJ. Is there a link between adult neurogenesis and learning? Hippocampus，2006，16（3）：216-224.

［8］Kempermann G and Gage FH. Genetic determinants of adult hippocampal neurogenesis correlated with acquisition，but not probe trail performance，in the water maze task. Eur J Neurosci，2002，16（1）：129-136.

［9］黎有文，周三國，楊伯寧，等. 神經發生與記憶形成的關系研究. 廣西醫科大學學報，2006，23（6）：892-894.

［10］Lemaire V，Koehl M，Moal L，et al. Prenatal stress produces learning deficit associated with an inhibition of neuorgenesis in the hippocampus. Proc Natl Acad Sci USA，2000，97（21）：11032-11037.

［11］Dobrossy MD，Drapeau E，Aurousseau C，et al. Differential effects of learning on neurogenesis：learning increases or decreases the number of newly born cells depending on their birth date. Mol Psychiatry，2003，8（12）：974-982.

［12］Gould E，Beylin A，Tanapat P，et al. Learning enhance adult neurogenesis in the hippocampal formation. Nat Neurosci，1999，2（3）：260-265.

［13］Ambrogini P，Cuppini R，Cuppini C，et al. Spatial learning affects immature granule cell survial in adult rat dentate gyrus. Neurosci Lett，2000，286（l）：21-24.

［14］Shors TJ，Miesagaes G，Beylin A，et al. Neurogenesis in the adult rat is involved in the formation of trace memories. Nature，2001，410：372-376.

［15］Shors TJ，Townsend DA，Zhao M，et al. Neurogenesis may relate to some but not all types of hippocampal dependent learning. Hippocampus，2002，12（5）：578-584.

［16］Zhang CL，Zou YH，He WM，et al. A role for adult TLX-positive neural stem cells in learning and behaviour.Nature，2008，451（2）：1004-1007.

［17］Altman J and Das GD. Autoradiographic examination of the effects of enriched environment on the rate of glial multiplication in the adult rat brain. Nature，1964，204，1161-1163.

［18］van Praag H，Kempermann G，Gage FH. Running increases cell proliferation and neurogenesis in the adult mouse dentate gyrus. Nat Neurosci，1999，2（3）：266-270.

［19］Persson AI，Naylor AS，Jonsottir IH， et al. Differential regulation of hippocampal progenitor proliferation by opioid receptor antagonists in running and non-running spontaneously hypertensive rats. Eur J Neurosci，2004，19（7），1847-1855.

［20］van der Borght K，Ferrari F，Klauke K，et al. Hippocampal cell proliferation across the day: Increase by running wheel activity， but no effect of sleep and wakefulness. Behav Brain Res，2006，167（1）：36-41.

［21］Kronenberg G，Bick-Sander A，Bunk E，et al. Physical exercise prevents age-related decline in precursor cell activity in the mouse dentate gyrus. Neurobiol Aging，2006，27（10）：1505-1513.

［22］Snyder JS，Glover LR，Sanzone KM，et al. The effects of exercise and stress on the survival and maturation of adult-generated granule cells. Hippocampus，2009，19（10）：898-906.

［23］Ang Eng-Tat，Dawe GS，Wong Peter TH，et al. Alterations in spatial learning and memory after forced exercise.Brain Res，2006，1113（1）：186-193.

［24］Kim SH，Kim HB，Jang MH，et al. Treadmill exercise increases cell proliferation without altering of apoptosis in dentate gyrus of Sprague-Dawley rats. Life Sci，2002，71（11）：1331-1340.

［25］Ra SM，Kim H，Jang MH，et al. Treadmill running and swimming increase cell proliferation in the hippocampal dentate gyrus of rats. Neurosci Lett，2002，333（2）：123-126.

［26］Lou SJ，Liu JY，Chang H，et al. Hippocampal neurogenesis and gene expression depend on exercise intensity in juvenile rats. Brain Res，2008，1210：48-55.

［27］Wu CW，Chang YT，Yu L，et al. Exercise enhances the proliferation of neural stem cells and neurite growth and survival of neuronal progenitor cells in dentate gyrus of middle-aged mice. J Appl Physiol，2008，105（5）：1585-1594.

［28］Molteni R，Ying Z and Go’mez-Pinilla F. Differential effects of acute and chronic exercise on plasticity-related genes in the rat hippocampus revealed by microarray. Eur J Neurosci，2002，16（6）：1107-1116.

［29］Schlett K. Glutamate as a modulator of embryonic and adult neurogenesis. Curr Top Med Chem，2002，6（10）：949-960.

［30］Kitamura T，Mishina M and Sugiyama H. Enhancement of neurogenesis by running wheel exercises is suppressed in mice lacking NMDA receptor epsilon 1 subunit. Neurosci Res，2003，47（1）：55-63.

［31］Persson A I，Thorlin T，Bull C，et al. Mu- and deltaopioid receptor antagonists decrease proliferation and increase neurogenesis in cultures of rat adult hippocampal progenitors. Eur J Neurosci，2003，17（6）：1159-1172.

［32］Persson A I，Thorlin T，Bull C，et al. Opioid-induced proliferation through the MAPK pathway in cultures of adult hippocampal progenitors. Mol Cell Neurosci，2003，23（3）：360-372.

［33］Holmes MM and Galea LA. Defensive behavior and hippocampal cell proliferation: differential modulation by naltrexone during stress. Behav Neurosci，2002，116（1）：160-168.

［34］Koehl M，Meerlo P，Gonzales D，et al. Exerciseinduced promotion of hippocampal cell proliferation requires-endorphin. FASEB J，2008，22（7）：2253-2262.

［35］Calof AL. Intrinsic and extrinsic factors regulating vertebrate neurogenesis. Curr Opin Neurobiol，1995，5（1）：19-27.

［36］Cao L，Jiao X，Zuzga DS，et al. VEGF links hippocampal activity with neurogenesis，learning and memory. Nat Genet，2004，36（8）：827-835.

［37］Fabel K，Tam B，Kaufer D，et al. VEGF is necessary for exercise-induced adult hippocampal neurogenesis. Eur J Neurosci，2003，18（10）：2803-2812.

［38］Aberg MA，Aberg ND，Hedbacker H，et al. Peripheral infusion of IGF-I selectively induces neurogenesis in the adult rat hippocampus. J Neurosci，2000，20（8）：2896-2903.

［39］Anderson MF，Aberg MAI，Nilsson M，et al. Insulinlike growth factor-1 and neurogenesis in the adult mammalian brain. Dev Brain Res，2002，134（1）：115-122.

［40］Ding Q，Vaynman S，Akhavan M，et al. Insulin-like growth factor-1 interfaces with brain-derived neurotrophic factor-mediated synaptic plasticity to modulate aspects of exercise-induced cognitive function. Neuroscience，2006，140（3）：823-833.

［41］Trejo JL，Carro E and Torres-Aleman I. Circulating insulin-like growth factor I mediates exercise-induced increases in the number of new neurons in the adult hippocampus. J Neurosci，2001，21（5）：1628-1634.

［42］黃濤，徐波，楊毅飛，等. BDNF介導運動對腦高級功能——學習記憶能力的促進作用. 體育科學，2006，26（9）：82-85.

［43］Rossi C，Angelucci A，Costantin L，et al. Brain-derived neurotrophic factor（BDNF） is required for the enhancement of hippocampal neurogenesis following environmental enrichment. Eur J Neurosci，2006，24（7）：1850-1856.

［44］Isiam O，Loo TX and Heese K. Brain-derived neurotrophic factor（BDNF） has proliferative effects on neural stem cells through the truncated TRK-B receptor，MAP kinase，AKT，and STAT-3 signaling pathways.Curr Neurovasc Res，2009，6（1）：42-53.

［45］van Praag H，Shubert T，Zhao C，et al. Exercise enhances learning and hippocampal neurogenesis in aged mice. J Neurosci，2005，25（38）：8680-8685.

［46］van der Borght K，Havekes R，Bos T，et al. Exercise improves memory acquisition and retrieval in the Y-maze task：relationship with hippocampal neurogenesis. Behav Neurosci，2007，121（2）：324-334.

［47］Xu WP，Shan LD，Gong S，et al. Forced running enhances neurogenesis in the hippocampal dentate gyrus of adult rats and improves learning ability. Acta Physiologica，2006，58（5）：415-420.

［48］Wu CW，Chen YC，Yu L，et al. Treadmill exercise counteracts the suppressive effects of peripheral lipopolysaccharide on hippocampal neurogenesis and learning and memory. J Neurochem，2007，103（6）：2471-2481.