Morris水迷宮和敞箱實驗相關(guān)-耐力訓練對老齡大鼠學習記憶和焦慮樣行為的影響

耐力訓練對老齡大鼠學習記憶和焦慮樣行為的影響

摘要：目的：通過建立老齡大鼠耐力運動訓練模型，觀察耐力訓練對老齡大鼠學習記憶能力和焦慮樣行為的影響，并探討了9周游泳訓練后進行一次力竭性運動的血乳酸濃度與運動能力之間的關(guān)系．方法：將２７只健康雄性ＳＤ大鼠按年齡分為青年對照組（ＹＣ，ｎ＝９）、老齡對照組（ＯＣ，ｎ＝９）和老齡運動訓練組（ＯＥＸ，ｎ＝９）．ＹＣ、ＯＣ組自然飼養(yǎng)，不加干預，ＯＥＸ組大鼠進行為期９周的游泳訓練．采用Ｍｏｒｒｉｓ水迷宮測試學習記憶能力，曠場實驗測試焦慮樣行為．使用日本京都ＬＴ－１７１０型血乳酸儀測定血乳酸濃度．結(jié)果：１、９周游泳耐力訓練后ＯＥＸ組大鼠力竭時間明顯長于ＯＣ組（Ｐ＜０．０５）．２、ＯＥＸ組力竭后血乳酸含量明顯低于ＯＣ組（Ｐ＜０．０１）．３、Ｍｏｒｒｉｓ水迷宮實驗結(jié)果顯示：定位航行實驗ＯＥＸ組潛伏期明顯小于ＯＣ組（Ｐ＜０．０５）；空間探索實驗ＯＥＸ組大鼠穿越原平臺位置的次數(shù)多于ＯＣ組，但結(jié)果無統(tǒng)計學意義．４、曠場實驗結(jié)果顯示：垂直運動得分、理毛次數(shù)３組之間差異不顯著；ＯＥＸ組水平運動得分明顯低于ＹＣ、ＯＣ組（Ｐ＜０．０５，Ｐ＜０．０５），中央格停留時間明顯延長（Ｐ＜０．０５，Ｐ＜０．０５）．結(jié)論：１、長期耐力訓練能明顯提高老齡大鼠耐力水平．２、長期耐力訓練可以改善老齡大鼠學習記憶能力，降低焦慮水平．

關(guān)鍵詞：耐力訓練；學習記憶；焦慮樣行為

學習和記憶是動物和人類生存不可或缺的重要腦功能．近年來，隨著我國老齡化進程的不斷加快，如何使老齡人群擁有高質(zhì)量的生活已經(jīng)成為全社會關(guān)心的重要問題．研究表明，老年人的學習、記憶能力隨著年齡的增加而不斷下降．老年癡呆已成為最常見的癡呆類型，我國６５歲以上人群的老年癡呆患者為４．８％；老年性癡呆作為老年期多發(fā)疾病已成為不容小視的事實．研究表明，運動可以限制（β－淀粉樣蛋白，Ａβ）的形成并促進其降解；通過誘導神經(jīng)生長因子（ＮＧＦ）和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（Ｂｒａｉｎ－ｄｅｒｉｖｅｄ�。睿澹酰颍铮簦颍铮穑瑁椋恪。妫幔悖簦铮�，ＢＤＮＦ）的適應(yīng)性變化影響長時程增強（Ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ�。穑铮簦澹睿簦椋幔簦椋铮睿�ＬＴＰ），促進海馬區(qū)神經(jīng)再生，從而防治與阿爾茨海默�。ǎ粒欤�ｈｅｉｍｅｒ　ｄｉｓｅａｓｅ，ＡＤ）有關(guān)的大腦海馬區(qū)功能下降．大量證據(jù)表明，規(guī)律而合理的體育鍛煉能有效延緩老年人學習和記憶能力的衰退，有助于提高老年人生活質(zhì)量，但運動影響學習記憶的確切機制還遠未闡明．影響老齡人群生活質(zhì)量的另一個常見心理原因是焦慮．隨著年齡的增長，老年人的身體機能逐漸下降，他們組織和參與活動的能力也大大降低，身體疾病和心理壓力逐漸增多，這是導致老年人產(chǎn)生焦慮情緒的主要原因．焦慮作為心境，是老年人最經(jīng)常體驗的一種負性情緒狀態(tài)．老年人長時間處于較高的焦慮水平，對老年人的心理健康具有著潛在而深遠的影響，容易引發(fā)心理和行為問題．目前，對改善焦慮情緒的研究多集中在藥物層面．運動可以看作一種刺激或應(yīng)激，對腦的可塑性產(chǎn)生影響．合理的運動不僅可以減緩老年人的機體衰退，提高新陳代謝能力，而且能有效改善情緒狀態(tài)．本研究對老齡大鼠進行９周耐力訓練，通過行為學測試觀察耐力運動訓練對老齡大鼠學習、記憶和焦慮樣行為的影響，初步探討其內(nèi)在規(guī)律，旨在引導老年人通過合理有效的運動鍛煉和健康的生活習慣實現(xiàn)身心健康，為老年人科學健身提供理論和實踐依據(jù)．

１　材料與方法

１．１　實驗動物與分組

青年（３月齡）健康雄性Ｓｐｒａｇｕｅ�。模幔鳎欤澹�大鼠９只，老齡（１５－１６月齡）健康雄性Ｓｐｒａｇｕｅ　Ｄａｗｌｅｙ大鼠１８只，由蘇州大學實驗動物中心提供．適應(yīng)性喂養(yǎng)１周后，將老齡大鼠隨機分為２組：老齡安靜對照組（ＯＣ，ｎ＝９）、老齡運動訓練組（ＯＥＸ，ｎ＝９）（圖１）；青年大鼠作為青年對照組（ＹＣ，ｎ＝９）．動物分籠喂養(yǎng)，自由飲食．光照時間８：００ａ．ｍ．－８：００ｐ．ｍ．，室溫２２~２．５℃，相對濕度４５％－５５％．圖１　實驗流程圖

１．２　實驗儀器設(shè)備

日本京都ＬＴ－１７１０型便攜式血乳酸測定儀；SuperMaze動物行為學視頻分析系統(tǒng)，上海欣軟信息科技有限公司；曠場實驗視頻分析系統(tǒng)，上海欣軟信息科技有限公司．

１．３　動物運動訓練方案

運動訓練組大鼠在玻璃缸游泳池中訓練，游泳池水深５０ｃｍ，超過大鼠身長的２倍，水溫３０－３２℃，每次游泳時間固定在下午３點到５點之間，第１周進行３次適應(yīng)性訓練，從第２周起大鼠每周訓練５天，每天訓練３０ｍｉｎ，共９周．

１．４　力竭測試大鼠尾部負重，放入水溫（３０±１）°Ｃ、水深５０ｃｍ的水槽中游泳，初始負荷為體重的１％，每３分鐘增加大鼠自身體重的１％，記錄大鼠從入水至運動疲勞發(fā)生時的游泳時間．大鼠頭部沒入水面以下１０ｓ不再上浮判定為疲勞，記錄疲勞時間．

１．５　學習和記憶能力測試

１．５．１　實驗裝置水迷宮實驗在一個直徑為１２０ｃｍ，高５０ｃｍ，水深４０ｃｍ的圓形游泳池內(nèi)進行，游泳池由黑色玻璃纖維制成，水溫保持在２６℃左右，在池壁北（Ｎ），南（Ｓ），東（Ｅ）和西部（Ｗ）分別以４種不同形狀的圖形作為標記，標志動物的入水出發(fā)點，這些標記將水池分為Ａ、Ｂ、Ｃ及Ｄ�。磦�同等象限，在離池壁３０ｃｍ的Ｄ象限正中處放一個直徑為９ｃｍ、高３８ｃｍ的透明圓形平臺做為目標平臺，水面高度不得高于平臺頂２ｃｍ．水迷宮上方安裝有攝像機，用來同步記錄大鼠運動軌跡，采用美國的ＡＮＹ－ｍａｚｅ軟件記錄整個過程．實驗期間水迷宮外參照物保持不變．

１．５．２　檢測方法

１．５．２．１　定位航行實驗

　測量大鼠獲取經(jīng)驗（學習）能力的一種方法．實驗前１天將大鼠放入水中自由游泳２ｍｉｎ，使其熟悉實驗環(huán)境并觀察其游泳姿勢

有無異樣．定位航行實驗部分包括３天每天４個連續(xù)的訓練次數(shù)，動物面對池壁放入池中，允許其自由游泳以找到被水漫過的平臺．每次訓練從東、南、西、北中隨機選擇一個入水點，每一次訓練所有大鼠入水點相同；同一只大鼠在每天的４次訓練中分別有４個位于不同象限的入水點．記錄大鼠找到平臺的時間，即潛伏期（Ｌａｔｅｎｃｙ）．如果大鼠在６０秒內(nèi)沒有找到平臺，輕輕地引導它上平臺，潛伏期記為６０ｓ，大鼠每次爬上平臺或被引上平臺后，讓其在平臺上休息１５ｓ，如果大鼠突然逃跑，允許它繼續(xù)留在平臺１０ｓ．計算每一時間段內(nèi)４次潛伏期的算術(shù)平均值做為最后的學習成績。

１．５．２．２　空間探索實驗

　測量大鼠保存經(jīng)驗（記憶）能力的一種方法，檢測大鼠學會尋找平臺的本領(lǐng)后對水中平臺位置記憶的功能．在最后一次訓練２４小時后撤去水中平臺，然后同定位航行實驗的步驟一樣，每天４次，但只測試１天，實驗中要保證同一只大鼠在４次測試中分別有４個位于不同象限的入水點．記錄大鼠在６０ｓ內(nèi)穿越原平臺象限相應(yīng)位置的次數(shù)．

１．６　焦慮樣行為測試

１．６．１　實驗裝置　

敞箱裝置由不透明材料制成，底面為１００ｃｍ×１００ｃｍ的正方形并被等分成１６個等邊方格，周圍有高４２ｃｍ的墻壁，敞箱中央?yún)^(qū)域的正上方固定有攝像機，由與之相連接的的曠場實驗視頻分析系統(tǒng)自動記錄大鼠的活動軌跡和位置．

１．６．２　檢測方法

　曠場實驗（Ｏｐｅｎ�。妫椋澹欤洹。簦澹螅簦┯址Q敞箱實驗，用來觀察實驗動物神經(jīng)精神變化，是評價實驗動物進入開闊環(huán)境后的各種活動、探索行為與緊張度的一種方法．實驗在安靜的環(huán)境下進行，將每只大鼠放入箱內(nèi)底面中心方格內(nèi)，同時進行攝像和計時，觀察大鼠５分鐘內(nèi)在中央格停留的時間（Ｔｈｅｔｉｍｅ�。椋睢。簦瑁濉。悖澹睿簦颍幔臁。螅瘢酰幔颍澹�、穿越的格子數(shù)（Ｔｈｅｎｕｍｂｅｒ�。铮妗。悖颍铮螅螅椋睿纭。螅瘢酰幔颍澹螅�四爪均進入的方格方可計數(shù)，為水平運動得分）、后肢直立的次數(shù)（Ｔｈｅｔｉｍｅｓ�。铮妗。颍澹幔颍椋睿�，兩前爪騰空或攀附墻壁，為垂直運動得分）、清潔運動的計數(shù)（Ｔｈｅ　ｔｉｍｅｓ�。铮妗。纾颍铮铮恚椋睿纾�梳毛次數(shù)）．實驗后，將大鼠取出，清理干凈箱底和四壁，并用７５％的酒精擦拭以除去前一只大鼠的氣味，更換大鼠，繼續(xù)實驗．

１．７　數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

所有數(shù)據(jù)用平均數(shù)±標準差表示，采用Ｇｒａｐｈ－ｐａｄ　Ｐｒｉｓｍ�。担�０軟件進行統(tǒng)計學分析．力竭測試結(jié)果采用單因素方差分析，學習和記憶測試結(jié)果采用重復測量設(shè)計的方差分析和卡方檢驗．

３　分析與討論

體育鍛煉可以促進老年人身心健康，尤其對老年人的心理健康方面有不可替代的作用．一些研究發(fā)現(xiàn)運動能改善老齡動物學習記憶，降低焦慮水平，但這一效益的潛在機制仍遠未闡明．在比較了主

動運動和強迫運動的差異之后，本研究選擇了游泳訓練的方法，因其具有更好的可操作性和可控制性（運動強度、時間），且大鼠天生就是“游泳能手”．本研究對老齡大鼠進行９周游泳耐力訓練，通過行為學方法測試學習記憶能力和焦慮水平，并測定血乳酸值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，長期游泳運動訓練顯著提高了老齡大鼠學習記憶能力，降低了焦慮水平．

３．１　長期耐力訓練提高了老齡大鼠耐力

乳酸在運動醫(yī)學上有“訓練的標尺”的美稱，乳酸在血液中含量高低是評價機體疲勞程度的重要標志之一．乳酸的產(chǎn)生和積累效率與運動強度和持續(xù)時間有關(guān)．本實驗通過逐級遞增負荷游泳力竭測試，分別測得ＹＣ、ＯＣ、ＯＥＸ組的力竭時間和即刻乳酸值，發(fā)現(xiàn)ＯＥＸ組的耐力成績明顯優(yōu)于ＯＣ組，且血乳酸水平顯著低于ＯＣ組，表明游泳運動訓練提高了老齡大鼠耐力，這可能與長期的耐力訓練可以增強血液中堆積乳酸的利用率有關(guān)．

３．２　長期耐力訓練改善了老齡大鼠學習記憶能力

學習和記憶是人類進行各種智力活動的基礎(chǔ)．學習是指新行為的獲得和發(fā)展，記憶是通過學習獲得的經(jīng)驗的保持和再現(xiàn)．學習和記憶是動物和人類生存不可或缺的重要腦功能，是神經(jīng)科學研究中的重要問題．衰老是人和動物都要遵循的自然規(guī)律，在衰老過程中，不僅機體出現(xiàn)各種功能下降，學習記憶功能也隨之老化，減退明顯．水迷宮是一種較好地評定動物空間學習記憶能力的方法，本實驗應(yīng)用Ｍｏｒｒｉｓ水迷宮實驗檢測９周游泳運動訓練對老齡大鼠的學習記憶能力的影響，發(fā)現(xiàn)ＯＥＸ組尋找到目標平臺的潛伏期與其他組比較明顯縮短，撤去平臺之后穿越原平臺位置的次數(shù)與ＯＣ組比較有增多趨勢，但差異不顯著．運動對于保持腦健康具有重要作用，適宜的體育運動有助于終身保持腦健康和可塑性．Ｐｉ－ｅｔｒｅｌｌｉ�。粒洌澹畹热搜芯堪l(fā)現(xiàn)，規(guī)律、長期的跑臺耐力訓練可以對老齡大鼠具有神經(jīng)保護；與不運動大鼠相比，耐力訓練組大鼠記憶成績明顯提高．本結(jié)果亦顯示９周游泳運動訓練可明顯提高老齡大鼠的學習能力并在一定程度上改善記憶能力．

３．３　長期耐力訓練降低了老齡大鼠焦慮水平

焦慮是一種預期反應(yīng)，面對預先知道且不可避免的、即將發(fā)生的應(yīng)激性事件，以恐懼、擔心、緊張等精神癥狀為主要表現(xiàn)，核心癥狀為擔憂．適當運動是緩解應(yīng)激的有效方法，能夠改善情緒、減少狀態(tài)性焦慮．研究表明，規(guī)律、適量的身體運動有利于大腦健康，包括改善心理狀態(tài)和認知功能，增強心理幸福感、增強抗抑郁藥和抗焦慮藥的使用效果并且降低患老年癡呆的風險．此外，大強度運動比中、低強度運動更能表現(xiàn)出腦部的活動增強，更能加快消除焦慮、不安等情緒．Ｐｉｔｔｓ�。疲巍。剩蛘J為在訓練中乳酸的產(chǎn)生是引起焦慮反應(yīng)的可能原因，而本實驗在測試大鼠焦慮樣行為的曠場實驗中發(fā)現(xiàn)，ＯＥＸ組大鼠的水平得分與中央格停留時間明顯高于ＯＣ組，這反映ＯＥＸ組大鼠的焦慮樣行為明顯減少；耐力訓練對改善焦慮樣行為有一定作用，這或許與機體對乳酸的利用增強有關(guān)．此外，本實驗僅采用了小強度耐力訓練的方法，未進行中強度、高強度的訓練，在上述的訓練條件下，老齡大鼠的血乳酸濃度變化如何，是否與焦慮樣行為有一定的相關(guān)性，這些還有待于進一步研究．曠場實驗（Ｏｐｅｎ　ｆｉｅｌｄ�。簦澹螅�，ＯＦＴ）又稱敞箱實驗，是一種評價嚙齒類實驗動物自主運動行為、探究行為與緊張度的一種方法，現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于帕金森病、抑郁癥、焦慮癥等神經(jīng)、精神疾病以及中樞藥物評篩的研究中．本實驗通過曠場實驗觀察各組大鼠的焦慮水平．其中，水平活動、中央格停留時間、梳毛次數(shù)反映動物的焦慮情況，垂直活動反映動物對周圍環(huán)境的不確定性和對周圍環(huán)境中可能存在的危險性的觀察．

目前，關(guān)于運動對焦慮的作用還存在爭議．在運動效果方面，Ｃｏｎｎ等人通過ｍｅｔａ分析認為有氧運動可以降低健康人的焦慮癥狀，但對已經(jīng)確診患上焦慮障礙的人沒有改善效果．Ｃｈｒｉｓｔｉｎｅ等人認為目前的證據(jù)還不足以證明有氧運動可以做為改善焦慮障礙的有效手段，且沒有證據(jù)表明有氧運動一定比無氧運動改善焦慮更有效．在運動時間、強度方面，Ｈｅｒｒｉｎｇ等人通過運動前后焦慮測量量表比較發(fā)現(xiàn)，短期的耐力訓練可以改善廣泛性焦慮狀態(tài)．Ｐａｔｋｉ等人報道對大鼠進行４周中等強度跑臺訓練，降低了創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙大鼠的焦慮樣行為．不同的活動強度和活動方式對焦慮水平的變化會產(chǎn)生影響，此外，年齡對與焦慮相關(guān)的行為也有影響．目前對長期耐力運動對老年人的焦慮影響的研究較為少見，本實驗研究了長期耐力訓練情況下的大鼠焦慮水平，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)游泳運動訓練后各組大鼠梳毛次數(shù)有顯著性差異，這可能與實驗樣本數(shù)量少有關(guān)；垂直得分各組之間統(tǒng)計亦無統(tǒng)計學差異，說明各組大鼠對周圍環(huán)境的探索行為無顯著差異；水平得分和中央格停留時間ＯＥＸ組同ＯＣ及ＹＣ組比較明顯增多，可見年齡的增長可能對焦慮有一定減輕作用，而耐力訓練又可以進一步減輕老年人的焦慮情緒．大量研究表明，不適應(yīng)的運動或劇烈運動可引起氧自由基與抗氧化系統(tǒng)之間的失衡，導致活性氧生成增加，造成機體氧化損傷．

最近的研究表明，豐富環(huán)境可以增強神經(jīng)可塑性，改善包括學習記憶能力在內(nèi)的認知功能．適宜的運動可以做為一種豐富環(huán)境的方式改善腦的功能與健康．綜上所述，耐力訓練可以改善老齡大鼠學習記憶能力，降低焦慮水平，但運動是如何發(fā)揮上述神經(jīng)保護作用的？其內(nèi)在機制有待于進一步研究．此外，不同運動負荷對衰老期學習記憶和情緒的影響也有待于深入研究．

４　結(jié)　論

（１）長期耐力訓練提高了老齡大鼠耐力．

（２）長期耐力訓練改善了老齡大鼠學習記憶能力，降低了焦慮水平。