运动影响学习与记忆能力动物实验的研究进展（三）
4.1 与LTP间接相关的物质
4.1.1 细胞凋亡
学习与记忆是大脑主要的高级神经功能之一,是由不同而又紧密联系的神经元共同作用的结果。因此,保持神经元的健康和脑细胞的可塑性是学习和记忆的先决条件。已有研究报道,大鼠认知功能受损可能与海马神经元的凋亡有关,脑细胞过早凋亡可引发脑萎缩、老年痴呆、帕金森氏症等脑病,从而影响学习、记忆能力。Bcl-2、Bax是有关细胞凋亡的重要调控基因,Bcl-2又称为“生存基因”,表达水平与细胞寿命呈正相关。而Bax为促凋亡基因,可使细胞器释放出某些分子,引起半胱氨酸蛋白酶的活化,并拮抗Bcl-2的保护效应而使细胞趋于凋亡,或者通过启动线粒体通透性转变的方式诱导细胞凋亡。汪洋（2008）实验表明长期有规律的游泳运动可促使大鼠Bcl-2的表达增多, Bax的表达减少,抑制海马细胞发生过早凋亡现象。
4.1.2 抗氧化物质
自由基具有强氧化性，可在体内氧化损伤许多器官和组织，进而引起慢性疾病及衰老效应。还可与细胞膜双层结构中的不饱和脂肪酸反应产生过氧化脂质，后者经过分解生成丙二醛，丙二醛易与蛋白质或脂类聚合交联作用形成脂褐素，因其不易被溶酶体消化,随增龄而积累,所以被认为是细胞衰老的基本特征。大脑中脂褐素主要积聚在大脑皮层和海马部位，学习记忆能力与大脑中脂褐素的含量呈负相关。金花等(1995)报道运动训练使大鼠大脑皮层的脂褐素下降，其机制可能是适量的训练通过降低脂质过氧化水平,减弱丙二醛交联作用,从而减少脂褐素的生成,减慢在细胞中的积累,延缓老化过程。机体内抗氧化系统对减轻自由基增加而引起组织损伤也有重要作用，其中一种重要的抗氧化酶是超氧化物歧化酶（SOD）,它能催化生物氧化产生的O2- 转化为H2O2 和O2+ ,以防止对细胞的损伤，Jenkins(1993年)报道有氧运动可提高SOD 活性。抗氧化系统中还有一种重要的抗氧化剂,还原型谷胱甘肽(GSH)，Kretzchmar(1990 年)报道训练有素的长跑运动员血浆中GSH 浓度较一般人。这些均说明适度运动可增加脑组织抗氧化及抗衰老能力。
4.1.3 突触可塑性
突触可塑性包括突触传递可塑性、发育可塑性和形态的可塑性。大脑皮层和海马是学习记忆功能相关脑区，衰老时该区域突触形态结构和数量发生变化，包括突触密度减少、突触界面曲率降低、间隙宽度加大、突触后致密物质变薄、突触膜的流动性降低以及突触素含量减少等，均与学习记忆功能障碍密切相关 。突触可塑性的变化还可能是阿尔茨海默病神经生物学基础。任珊珊等（2010年）实验研究表明9周的跑台运动可逆转衰老小鼠突触数量衰减和突触膜流动性下降，说明适量运动可以促进衰老化过程中大脑认知功能区突触的可塑性代偿，延缓老年痴呆的发生。
4.1.4 脑内神经递质
卡尔森于1958年首先报道了脑内多巴胺（DA）的存在，并阐明了DA的信号传递功能以及它在人类控制运动中的作用；格林加德发现了多巴胺和其它相似递质刺激神经细胞时的过程；坎德尔在格林加德理论的基础上，通过海兔的缩鳃反射实验证实，记忆功能就是由无数构成神经细胞间接触点的突触直接改变引起的，神经递质DA通过第二信使引起蛋白磷酸化，后者进入细胞核，启动新蛋白质合成，从而使生物产生了短期和长期记忆，由此可见DA与学习记忆功能有密切的关系。徐波等（2004）实验表明长期适宜的游泳训练能增强大鼠脑内海马、伏隔核和前额叶皮层中的DA，然后通过神经递质的正相调控作用可提高大鼠的学习记忆能力。
4.2 与LTP直接相关的物质
4.2.1脑源性神经营养因子
BDNF是由德国神经生物学家Barde于1982年首先报道的，它主要在脑组织合成，广泛分布于中枢神经系统，其中大脑皮质、海马等部位含量较为丰富，不但对神经系统有营养作用，还与突触功能和可塑性的调控有关。BDNF作用的主要受体是TrkB（trosine kinase B），通过配体受体结合，诱导神经元胞体上的Trk酪氨酸激酶形成二聚体和自磷酸化，从而激活胞内信号转导通路发挥其功能作用。Jovanovic等报道BDNF能易化与学习记忆过程联系密切的神经递质谷氨酸的释放，这是通过BDNF/TrkB/MAPK信号级联反应对突触蛋白的磷酸化水平进行调控而实现的。Xiong等报道BDNF可调节中枢神经系统NO的合成，有助于NO所介导的学习记忆过程。Lin的研究显示BDNF能磷酸化海马CA1区突触后NMDA受体的NR1和NR2，产生LTP，提高学习与记忆功能。Neeper等的实验发现一周的自愿转轮运动即可显著增加大鼠海马和新皮层BDNFmRNA的水平，进而通过介导细胞内多种信号转导通路对学习记忆起促进作用。
4.2.2 胰岛素样生长因子—1
lGF—1是Sallmon和Daugha—day于1957年首先报道的。IGF-1及其受体广泛存在于脑中，特别是海马组织，能促进神经细胞生长、分化和增值，减少局部缺氧缺血造成的脑神经元损伤，刺激胶质细胞分化，刺激DNA合成和轴突生长，调节海马乙酰胆碱的释放，调节海马突触的可塑性，并有抗凋亡作用。另外，IGF-1与年龄相关的神经退行性疾病的发病机制有关，如阿尔茨海默病。在运动诱导下，海马内IGF-1水平升高，海马内的IGF—l和BDNF通过其受体激活p-CAMKlI和p-MAPK II信号级联，进而增加突触素一1，突触素一1又可以促进Glu释放，增强突触间的信息传递，使长时程记忆增强，故运动促进IGF-1的表达可能是运动促进学习记忆的机制之一。
4.2.3 MAPK/ERK
MAPK/ERK信号转导通路是多种细胞外信号从细胞表面传导到细胞内的重要传递者，丝裂素活化蛋白激酶（MAPK）是细胞内的一类丝氨/苏氨酸蛋白激酶，细胞外信号调节激酶（EPK），是MAPK家族中的重要成员。ERK被激活后发生核转位可直接激活转录因子Elk—1，启动即早基因的转录；ERK也可通过激活核糖体S6激酶（Rsk）来激活转录因子cAMP效应元件结合蛋白(CREB), 长期记忆的形成需要启动基因的表达。同时在海马CA1区活化的ERK可使组蛋白H3的乙酰化增加，组蛋白是染色质的主要组成成分，而DNA被紧密地包裹在染色质中，从而有助于基因的表达。Shen报道适宜的运动，使 MAPK / ERK信号通路磷酸化水平提高，通过诱导BDNF和其他神经营养因子等靶基因的表达，提高学习记忆功能。
4.2.4 CREB
80年代后期，Montrminy MRL和Yamamoto KK在研究基因转录的调节时，先后通过亲和层析的方法，从PEI2细胞系的核抽提物和大鼠脑组织中，分离纯化得到环磷酸腺苷反应元件结合蛋白（CREB），其作为一种核转录因子，在学习记忆中有着重要作用，长期记忆的形成不但需要新蛋白质合成，而且也需要新基因的转录，来自对海兔、果蝇、小鼠以及大鼠的大量研究表明，磷酸化后的CREB是海马区基因转录的开关，它引发的基因表达可加强海马区长时程记忆的形成。AndersonBJ研究表明经过对大鼠7周的主动训练，可以引起中枢神经系统内cAMP、Ca2+等第二信使增加，使CREB参与记忆的形成。从细胞信号转导的角度来看，不同通路在最后共同作用于CREB，通过影响CREB的磷酸化来激活c—fos、BDNF等多种与记忆有关的靶基因转录，最终导致学习记忆能力的提高。
4.2.5 GLU/NMDA
谷氨酸是中枢神经系统最主要的兴奋性递质，通过激活谷氨酸受体介导快速的兴奋性突触传递，与学习记忆过程有密切关系。其中谷氨酸离子型受体NMDA(N—甲基—D—天门冬氨酸)是非常重要的突触后成分，不仅可诱导出兴奋依赖性的突触可塑性，而且在细胞间的信息传导中也发挥着重要作用。LTP的形成和维持都需要NMDA受体的参与，因此NMDA受体被认为是突触可塑性及皮质和海马神经元长时程增强效应的主要调控者，构成了中枢神经系统的重要功能和学习记忆的分子基础，其主要由NR1和NR2两种亚基构成。张辉等（2007）报道适宜的运动训练，如滚筒式网状训练、平衡木训练等，可以促进NR1和NR2表达，进而NMDA密度增加，LTP产生增多，突触的传递效率提高，有利于学习记忆能力的增强。
4.2.6 NO/NOS
海马NO主要来源于神经元的NOS（一氧化氮合酶），现已明确NO作为逆行递质参与LTP的形成，其机制是：突触后NMDA受体及非NMDA受体激活，Ca2+内流，与钙调蛋白一起活化NOS，催化产生NO；NO可自由而迅速地透过细胞膜，进入突触前成份，激活可溶型鸟苷酸环化酶(sGc)，并使sGC活化后引起细胞内cGMP水平升高，进一步促进谷氨酸合成及递质释放；谷氨酸再作用于突触后NMDA及非NMDA受体而实现对LTP的诱导。孙国欣等（2006）报道中等强度运动可以使大鼠海马CA1区NOS及其亚型表达升高，NO生成量增多，从而改善了学习记忆能力。而刘鸿宇等（2006）报道大强度训练刺激海马N0/N 0S过度表达，过量的NO在中枢神经系统中又有毒性作用,影响学习记忆。
4.2.7 C-FOS
c—fos和c—jun属于即早刻基因家族，与学习记忆有关。当其被快速诱导转录时，胞浆中的mRNA数量迅速增加，翻译出的Fos和Jun进入细胞核内并形成异源二聚体Fos—Jun复合物，该复合物结合到靶基因的调节区,成为TPA反应元件(TRE)的7bp增强子单元，从而进一步影响靶基因的表达。已发现许多与记忆密切相关的基因，如胶原酶、神经生长因子和珠蛋白启动子中都有TRE区，Fos—Jun复合物即可结合到这些基因的TRE区，诱导其表达，因而，c—fos基因通过影响转录和翻译控制进而影响学习记忆功能。杨毅飞等（2005）报道长期适宜的运动训练可以引起中枢神经系统内cAMP、ca2+等第二信使适量增加，从而诱导c—fos基因表达，控制下游靶基因的转录，从而合成新的蛋白质，因此，有利于大脑的记忆功能，这将为运动促进学习记忆在分子水平上提供一个有力的证据。
4.2.8 CaM/CaMK
长时程增强LTP是以突触后致密结构(PSD)为基础的，Ca2+／CaM依赖性蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)是一种钙依赖性蛋白激酶，约占PSD蛋白总量的30％一50％，在突触部位起记忆的分子开关作用。CaMKⅡ自身磷酸化后变成不依赖Ca2+的活化状态，活化的CaMKⅡ对学习记忆有以下作用：
（1）活化的CaMKⅡ移向谷氨酸受体，对受体进行磷酸化，从而进一步活化谷氨酸受体。
（2）活化的CaMKⅡ磷酸化离子通道，从而改变神经元的兴奋性。
（3）活化的CaMKⅡ磷酸化中间纤维，改变了神经元的形态、突触的数量及结构。孙臣友等报道游泳训练使位于NMDA受体通道内阻止ca2+内流的Mg2+移开，这样通道打开，ca2+内流，继而激活ca2+／CaM第二信使，Ca2+／CaM激活CaMKⅡ的基因表达，从而通过CaMKⅡ的自身磷酸化使谷氨酸受体的亚基磷酸化增加，保证了突触信号传递的有效进行，使学习记忆能力得到提高。
以上指标从不同角度反映运动引起模型动物学习记忆的变化以及程度，但这些指标均有局限性，需要综合多种信息才能准确判断。
