Abstract
阿尔茨海默病（AD）是最常见的神经系统退行性疾病。研究发现40 Hz脉冲磁场具有改善AD认知能力的效果，然而其作用机制尚不清楚。本文以APP/PS1双转基因AD模型小鼠为研究对象，采用水迷宫进行痴呆分组，对不同痴呆程度AD模型小鼠施加40 Hz/10 mT脉冲磁场刺激，采集各组小鼠行为学指标、海马CA1区的线粒体样本和心电信号，分析40 Hz脉冲磁场对小鼠行为学、线粒体动力学指标和心率变异性（HRV）各项参数的影响。实验结果显示，同AD组相比，AD + 刺激组小鼠的线粒体嵴结构断裂缺失现象被缓解，线粒体动力学相关指标明显改善（P < 0.001）；交感神经兴奋、副交感神经受抑制现象得到改善；小鼠空间认知记忆能力显著提高（P < 0.05）。本文初步研究结果表明，40 Hz脉冲磁场刺激能够改善AD小鼠损伤的线粒体结构及线粒体动力学稳态失衡现象，并显著提升AD小鼠自主神经调控能力及空间认知能力，这为进一步探究极低频磁场延缓AD病程的作用机制和实现AD个性化神经反馈治疗奠定了基础。
Keywords: 阿尔茨海默病, 极低频磁场, 线粒体动力学, 心率变异性
Abstract
Alzheimer’s disease (AD) is the most common degenerative disease of the nervous system. Studies have found that the 40 Hz pulsed magnetic field has the effect of improving cognitive ability in AD, but the mechanism of action is not clear. In this study, APP/PS1 double transgenic AD model mice were used as the research object, the water maze was used to group dementia, and 40 Hz/10 mT pulsed magnetic field stimulation was applied to AD model mice with different degrees of dementia. The behavioral indicators, mitochondrial samples of hippocampal CA1 region and electrocardiogram signals were collected from each group, and the effects of 40 Hz pulsed magnetic field on mouse behavior, mitochondrial kinetic indexes and heart rate variability (HRV) parameters were analyzed. The results showed that compared with the AD group, the loss of mitochondrial crest structure was alleviated and the mitochondrial dynamics related indexes were significantly improved in the AD + stimulated group (P < 0.001), sympathetic nerve excitation and parasympathetic nerve inhibition were improved, and the spatial cognitive memory ability of mice was significantly improved (P < 0.05). The preliminary results of this study show that 40 Hz pulsed magnetic field stimulation can improve the mitochondrial structure and mitochondrial kinetic homeostasis imbalance of AD mice, and significantly improve the autonomic neuromodulation ability and spatial cognition ability of AD mice, which lays a foundation for further exploring the mechanism of ultra-low frequency magnetic field in delaying the course of AD disease and realizing personalized neurofeedback therapy for AD.
Keywords: Alzheimer’s disease, Extremely low frequency magnetic field, Mitochondrial dynamics, Heart rate variability
0. 引言
阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）是社会上最常见的痴呆症[1]。目前，电磁神经调控成为治疗干预AD的研究热点。其中，极低频磁场（extremely low frequency magnetic fields，ELF-MF）（0～300 Hz）具有改善AD认知的潜力[2]，以脉冲磁场应用最为广泛。有研究发现ELF-MF能够提高海马区神经元存活率，增强神经损伤小鼠的空间学习和记忆能力[3]，延缓AD大鼠模型的病理发展[4]。多项研究证明，线粒体动力学稳态在AD病理发生发展中起着枢纽作用[5-6]，线粒体动力学缺陷已在许多AD病理研究中得到证实[7]。然而关于ELF-MF是否通过修复线粒体动力学稳态来改善AD认知尚未有明确证据，因此分析ELF-MF刺激对AD小鼠线粒体的影响，有助于揭示ELF-MF刺激改善AD病理的神经机制。
有效的生物标志物有助于诊断AD病理进展。诸多证据表明，AD与自主神经系统变化具有较高的关联性，AD患者临床常表现出自主神经功能受损[8]。研究发现，痴呆或认知障碍患者表现出心率变异性（heart rate variability，HRV）显著降低的病理特异性[9-11]。此外，痴呆患者的HRV多个指标被证明存在异常，例如其时频域指标被广泛应用于与认知相关的疾病检测中[12]。以往针对AD啮齿类动物病理的研究中，大多采用植入式电生理技术，采集方式有创且操作复杂，而从无创心电（electrocardiographic，ECG）信号角度探究电磁神经反馈调控治疗AD的相关研究较少，因此研究ELF-MF刺激对AD小鼠HRV指标的影响为电磁刺激实现AD神经反馈治疗开辟了新的研究途径。
本研究以APP/PS1双转基因AD模型小鼠为研究对象，对AD小鼠施加40 Hz脉冲磁场刺激，采集各组小鼠ECG信号及海马CA1区的线粒体样本，分析刺激组与未刺激组小鼠线粒体形态结构、动力学指标及HRV指标变化情况，探究该刺激模式对AD小鼠线粒体动力学及自主神经功能的影响，为揭示ELF-MF改善AD病理发展的神经机制及实现AD个性化神经反馈治疗开辟新的途径。
1. 材料和方法
1.1. 实验动物
实验采用购自于北京华阜康生物科技有限公司的雄性APP/PS1双转基因小鼠作为实验组（AD组）以及与其同源的C57BL/6J野生型小鼠作为对照组。各组小鼠均为5月、7月、10月、12月龄，每月龄各15只，体重25～35 g。所有小鼠均饲养于SPF级动物实验室，每天光暗各12 h，普通小鼠繁殖料，自由获取食物和水。APP/PS1双转基因小鼠可表达突变的人类早老素（DeltaE9）与人鼠淀粉样前蛋白（APPswe）融合体，该模型小鼠在4～5个月龄时即出现海马淀粉样斑块沉积，随月龄增长认知能力下降，具备人类老年痴呆疾病的病理变化和临床特点[13]。所有实验步骤已获得河北工业大学生物医学伦理委员会批准（评审号：HEBUTaCUC2022043）。本文实验流程图如图1所示。
图 1.
Experimental flow chart
实验流程图
1.2. 实验方法及步骤
1.2.1. 水迷宫评估空间记忆能力
采用Morris水迷宫（Morri water maze，MWM）评估小鼠空间学习记忆的认知能力[14]。实验包括一天适应性训练及六天定位航行实验，以逃避潜伏期为实验指标。若小鼠登上平台，逃避潜伏期即小鼠成功寻台所用时间，寻台失败，逃避潜伏期记为60 s。取各小鼠4次实验逃避潜伏期的平均值为当天实验的最终成绩。以各月龄对照组小鼠六天逃避潜伏期平均值作为该月龄小鼠的参考成绩，以AD组小鼠测试成绩平均值为最终成绩，计算最终成绩与参考成绩之差占参考值的比例，当比值>20%，认为该小鼠为痴呆鼠，比值在20%～30%之间为轻度痴呆，30%～40%之间为中度痴呆，比值> 40%为重度痴呆[15]。对照组中个别健康小鼠会因运输途中意外受伤或未及时适应新环境导致异常数据，计算过程中要剔除此类数据，避免对对照组的均值计算结果产生影响。
1.2.2. 脉冲磁场干预
实验采用40 Hz连续脉冲刺激治疗AD各组小鼠，刺激强度为10 mT，每日两次，每次0.5 h，刺激周期为14天。健康对照组施加伪刺激。14天后对实验组小鼠进行水迷宫实验，测试小鼠空间学习记忆能力改善情况。
1.2.3. ECG信号采集与分析
本研究采用ECGenieTM清醒无创心电图分析系统（ECGenie，Mouse Specifics，美国）采集小鼠静息状态ECG信号，如图2所示。软件给定采样频率不低于2 kHz，可保证提供最精确的小鼠ECG信号，本文采样率设置为4 kHz。本研究所采集的小鼠4 s数据可提供80～120个ECG信号，足够对小鼠相关指标进行测量计算。在采集程序中设置3 Hz高通滤波、100 Hz低通滤波及50 Hz工频陷波，直接滤除小鼠ECG信号采集过程中由于体动造成的基线漂移及实验仪器造成的工频干扰等噪声。预处理后针对HRV时域、频域及非线性特征参数进行分析计算。
图 2.
The process of ECG analysis
ECG分析过程
a. 系统自动识别PQRST；b. 单个ECG信号
a. the PQRST were recognized by the system automatically; b. single ECG signal
时域指标包括：RR间期标准差（the standard deviation of the RR interval，SDNN）；相邻RR间期差值的均方根（the square root of the mean squared differences of successive RR intervals，rMSSD）；大于6 ms的连续RR间隔的区间差数所占RR区间总数百分比（the percentage of intervals > 6 ms different from preceding interval，PNN6），研究表明在成年小鼠中采用6 ms阈值与人类临床研究中通常使用的50 ms的值成比例[16]。频域指标包括：标准化低频功率分量（normalized low frequency power component，LFn）、标准化高频功率分量（normalized high frequency power component，HFn）以及低频功率与高频功率之比（LF/HF）。非线性指标包括：样本熵、近似熵、排列熵。
1.2.4. 海马线粒体取材
在诱导盒中使用异氟烷深度麻醉小鼠。断头取出脑组织后冰上钝性剥离海马组织。将海马CA1区快速切取为1 mm3的小块，置于4 ℃的2.5%戊二醛固定液固定保存。采用透射电镜观察，提取线粒体长度、面积、受损线粒体占比等动力学指标，并进行统计分析。
1.3. 统计分析
采用IBM SPSS Statistics 27.0.1软件对实验结果进行统计分析，对不同痴呆程度AD组与对照组之间以及AD + 刺激组与对照组之间的小鼠相关数据进行单因素方差分析，对各痴呆程度的AD + 刺激组与AD组小鼠间数据进行成对样本t检验，采用LSD方法进行事后多重比较。数据表示为均值±标准差，检验水准为0.05。
2. 结果
2.1. 水迷宫行为学检验痴呆程度及其工作记忆改善情况
2.1.1. 痴呆程度分组结果
利用Morris水迷宫划分APP/PS1模型小鼠痴呆程度，测试结果如图3所示。同对照组相比，AD组小鼠随着月龄增加，逃避潜伏期明显增大，空间认知学习记忆障碍持续受损。获得轻度痴呆鼠19只，中度痴呆鼠19只，重度痴呆鼠18只。为避免试验过程中有小鼠意外受伤或死亡，筛选结束每组按10%～20%的损耗率预留2～3只小鼠作为备用小鼠，因此每组选取16只随机分为AD组和AD + 刺激组进行后续实验。由于月龄对于对照组小鼠认知能力的影响程度可忽略不计，因此随机选取8只年轻健康小鼠作为对照组进行后续实验。
图 3.
The escape latency in the mice of different ages
各月龄小鼠逃避潜伏期
a. 5月龄；b. 7月龄；c. 10月龄；d. 12月龄
a. 5 months of age; b. 7 months of age; c. 10 months of age; d. 12 months of age
2.1.2. 小鼠空间学习记忆能力分析结果
如表1数据所示，同对照组相比，AD组小鼠平均逃避潜伏期及平均路径长度明显增大（P < 0.05）。同相应痴呆程度的AD组比较，AD + 刺激组小鼠平均逃避潜伏期及路径长度均出现明显缩短（P < 0.05），且各痴呆程度AD + 刺激组的数据变化程度不同。这一结果说明ELF-MF能够有效提高AD小鼠的空间记忆认知能力，但对不同痴呆程度改善效果具有差异性。
表 1. The escape latency and path length of mice in each group before and after stimulation.
刺激前后各组小鼠逃避潜伏期及路径长度
| 痴呆程度 | 组别 | 逃避潜伏期/s | 平均路径长度/m |
| 注：与对照组比较，* P < 0.05，** P < 0.01；“P值”为AD组与AD + 刺激组统计分析结果 | |||
| 轻度痴呆 | AD组 | 26.532 ± 7.447* | 3.579 ± 1.283** |
| AD + 刺激组 | 22.883 ± 8.390 | 2.660 ± 1.391 | |
| P值 | 0.028 2 | 0.041 4 | |
| 中度痴呆 | AD组 | 34.795 ± 8.393** | 4.891 ± 1.493** |
| AD + 刺激组 | 27.767 ± 9.673* | 3.624 ± 1.782** | |
| P值 | 0.033 1 | 0.013 6 | |
| 重度痴呆 | AD组 | 48.629 ± 10.538** | 6.151 ± 1.696** |
| AD + 刺激组 | 33.801 ± 10.877** | 4.464 ± 1.504** | |
| P值 | 0.003 7 | 0.005 9 | |
| 对照组 | — | 20.515 ± 7.234 | 2.157 ± 0.908 |
2.2. 海马线粒体动力学分析结果
透射电镜下各组小鼠海马CA1区神经元线粒体微观结构如图4所示。对照组小鼠海马CA1区的线粒体形态为正常椭圆形，嵴结构清晰完整；AD组小鼠线粒体发生嵴结构断裂缺失现象，随痴呆程度的加重，线粒体形态结构受损加重，出现过度分裂及碎片化现象，正常线粒体的分布状态受到影响。接受磁场干预的AD + 刺激组小鼠线粒体形态结构得到一定修复，膜嵴断裂缺失现象得到缓解，线粒体过度分裂现象明显改善。
图 4.
Mitochondrial ultrastructure of CA1 region in each group of mice
各组小鼠CA1区线粒体超微结构
线粒体动力学指标提取结果如图5所示。同对照组相比，AD组线粒体长度及面积明显减小（P < 0.001），线粒体受损比例升高（P < 0.001），且随痴呆加重，海马区结构受损的线粒体持续累积，损伤程度不断加重。同AD组相比，AD + 刺激组小鼠单个线粒体长度及面积显著升高，线粒体受损比例有所下降（P < 0.001），动力学指标均有明显改善，但与对照组相比差异仍有统计学意义（P < 0.001）。结果表明，线粒体动力学与AD痴呆程度关系密切，40 Hz脉冲磁场能够使线粒体结构得到一定修复，延缓损伤线粒体的持续累积，恢复线粒体功能障碍，改善线粒体动力学稳态失衡现象。
图 5.
Mitochondrial dynamics in the hippocampal CA1 region of mice in each group（***P < 0.001）
各组小鼠海马CA1区线粒体动力学相关指标（***P < 0.001）
2.3. 心率变异性分析
2.3.1. 时域分析结果
各组小鼠HRV时域指标如表2所示。同对照组相比，各痴呆程度AD组小鼠rMSSD、PNN6及SDNN等参数值明显下降，且随病症程度呈持续下降趋势（P < 0.05），说明痴呆小鼠出现心脏副交感神经活性降低，并反映在异常的HRV时域参数上。AD + 刺激组的时域特征参数明显高于AD组，其中各痴呆程度AD + 刺激组小鼠的rMSSD与AD组小鼠差异均有统计学意义（P < 0.05）。表明脉冲磁场干预能够有效改善AD小鼠副交感神经活性受抑制现象，且HRV时域参数中rMSSD灵敏度更高。
表 2. Time domain characteristic parameters of HRV in each group of mice before and after magnetic stimulation.
磁刺激前后各组小鼠HRV时域特征参数
| 痴呆程度 | 组别 | rMSSD/ms | PNN6 | SDNN/ms |
| 注：与对照组比较，*P < 0.05，**P < 0.01；“P值”为AD组与AD + 刺激组统计分析结果 | ||||
| 轻度痴呆 | AD组 | 1.096 ± 0.138** | 0.884 ± 0.067%* | 1.538 ± 0.434* |
| AD + 刺激组 | 1.224 ± 0.245* | 0.914 ± 0.025%* | 1.726 ± 0.279* | |
| P值 | 0.025 2 | 0.364 3 | 0.249 6 | |
| 中度痴呆 | AD组 | 0.615 ± 0.464** | 0.842 ± 0.057%** | 0.711 ± 0.171** |
| AD + 刺激组 | 1.179 ± 0.125* | 0.897 ± 0.064%* | 1.523 ± 0.384* | |
| P值 | 0.007 1 | 0.041 7 | 0.008 5 | |
| 重度痴呆 | AD组 | 0.468 ± 0.129** | 0.787 ± 0.071%** | 0.480 ± 0.227** |
| AD + 刺激组 | 1.120 ± 0.286* | 0.864 ± 0.055%* | 1.104 ± 0.168** | |
| P值 | 0.005 4 | 0.015 2 | 0.003 7 | |
| 对照组 | — | 1.406 ± 0.187 | 0.953 ± 0.032% | 1.871 ± 0.423 |
2.3.2. 频域分析结果
各组小鼠HRV频域指标如表3所示。同对照组相比，AD组小鼠的LFn、LF/HF值增大（P < 0.05），HFn下降，说明AD小鼠出现心脏自主神经调节机制失衡，表现为交感神经亢进、副交感神经受抑。接受磁场干预的AD + 刺激组小鼠频域指标均有改善趋势，各痴呆程度AD + 刺激组与AD组的差异均具有统计学意义（P < 0.05）。表明脉冲磁场干预能够有效增强AD小鼠自主神经调控能力，并反映在变化的HRV频域参数上。
表 3. Frequency domain characteristic parameters of HRV in each group of mice before and after magnetic stimulation.
磁刺激前后各组小鼠HRV频域特征参数
| 痴呆程度 | 组别 | LFn | HFn | LF/HF |
| 注：与对照组比较，*P < 0.05，**P < 0.01；“P值”为AD组与AD + 刺激组统计分析结果 | ||||
| 轻度痴呆 | AD组 | 0.368 ± 0.052* | 0.751 ± 0.093 | 0.515 ± 0.157* |
| AD + 刺激组 | 0.332 ± 0.042 | 0.809 ± 0.118 | 0.417 ± 0.113 | |
| P值 | 0.035 3 | 0.017 4 | 0.044 6 | |
| 中度痴呆 | AD组 | 0.508 ± 0.102* | 0.559 ± 0.101* | 0.835 ± 0.156** |
| AD + 刺激组 | 0.411 ± 0.135* | 0.712 ± 0.095* | 0.609 ± 0.147* | |
| P值 | 0.025 1 | 0.038 7 | 0.017 2 | |
| 重度痴呆 | AD组 | 0.589 ± 0.129** | 0.419 ± 0.094** | 1.051 ± 0.240** |
| AD + 刺激组 | 0.513 ± 0.107** | 0.547 ± 0.109** | 0.852 ± 0.164** | |
| P值 | 0.046 6 | 0.021 9 | 0.031 3 | |
| 对照组 | — | 0.296 ± 0.114 | 0.840 ± 0.101 | 0.363 ± 0.126 |
2.3.3. 非线性分析结果
各组小鼠HRV非线性指标如表4所示。同对照组相比，AD组小鼠非线性熵值明显减小（P < 0.05），说明随着AD的发生发展，小鼠ECG信号复杂度显著降低。接受磁场干预的AD + 刺激组小鼠熵值明显增大，心脏活动的复杂程度升高。其中中度痴呆和重度痴呆的样本熵中，AD + 刺激组与AD组间差异不具有统计学意义（P > 0.05），而各痴呆程度两组间的近似熵和排列熵差异均具有统计学意义（P < 0.05）。这一结果表明脉冲磁场干预能够有效增强AD小鼠心脏活动复杂程度，但样本熵在反映心脏复杂度变化上参考意义较低。
表 4. Nonlinear characteristic parameters of HRV in each group of mice before and after magnetic stimulation.
磁刺激前后各组小鼠HRV非线性特征参数
| 痴呆程度 | 组别 | 近似熵 | 样本熵 | 排列熵 |
| 注：与对照组比较，*P < 0.05，**P < 0.01；“P值”为AD组与AD + 刺激组统计分析结果 | ||||
| 轻度痴呆 | AD组 | 0.384 ± 0.073** | 1.383 ± 0.289* | 0.933 ± 0.015* |
| AD + 刺激组 | 0.422 ± 0.053* | 1.478 ± 0.162* | 0.957 ± 0.026 | |
| P值 | 0.005 9 | 0.024 9 | 0.032 8 | |
| 中度痴呆 | AD组 | 0.368 ± 0.095* | 1.279 ± 0.36** | 0.906 ± 0.075** |
| AD + 刺激组 | 0.382 ± 0.064** | 1.428 ± 0.177 | 0.935 ± 0.027* | |
| P值 | 0.025 1 | 0.754 2 | 0.045 7 | |
| 重度痴呆 | AD组 | 0.297 ± 0.122** | 1.078 ± 0.305** | 0.874 ± 0.059** |
| AD + 刺激组 | 0.358 ± 0.078** | 1.366 ± 0.302* | 0.903 ± 0.062** | |
| P值 | 0.002 7 | 0.841 3 | 0.001 6 | |
| 对照组 | — | 0.486 ± 0.077 | 1.568 ± 0.260 | 0.970 ± 0.049 |
3. 讨论
本文通过分析AD小鼠微观海马CA1区的线粒体动力学、HRV特征指标以及行为学指标，探究ELF-MF对AD小鼠痴呆程度的影响。有研究发现随着AD小鼠月龄的增加，海马区神经元线粒体病理改变呈动态发展，线粒体自噬呈动态增强且伴随线粒体清除障碍[17]。而40 Hz ELF-MF可以促进AD中病毒性蛋白的清除，并通过诱导嵴和膜的融合调节线粒体动力学，改善线粒体功能[18]。本研究结果显示经过40 Hz脉冲磁场干预，AD组小鼠受损粒体形态结构得到修复，膜嵴断裂缺失现象得到缓解，线粒体过度分裂现象明显改善。Toda等[19]研究1～8 Hz下10 µT脉冲磁场对线粒体的影响，发现线粒体质量下降，电子传递链活性升高，脉冲磁场可通过诱导线粒体自噬使线粒体恢复活力。本研究中经过磁场干预，AD小鼠海马区线粒体动力学指标得到明显改善，动力学紊乱现象好转，痴呆程度得到减缓，认知能力显著提高。这可能是由于磁场激活了线粒体裂变/融合循环，促进受损和功能障碍线粒体的清除[20]，延缓了AD病理发生发展过程中的恶性循环。磁场干预对不同痴呆程度的改善效果具有差异性，前期研究中我们探索了月龄和痴呆程度对于AD小鼠病理的影响，发现月龄对AD小鼠认知能力的影响小于痴呆程度对认知的影响。多项针对AD患者的电磁干预治疗发现，轻度痴呆患者认知改善效果更为明显[21]。本研究中，行为学和HRV参数分析结果显示，轻度痴呆小鼠经过磁场干预，认知能力能够达到健康小鼠的水平，而中度和重度痴呆小鼠虽有所改善但整体上并未跨越痴呆程度。分析其原因，早期磁场干预能够及时遏制并修复AD病理初期阶段的线粒体动力学稳态失衡，而中度及重度痴呆的线粒体严重受损，并诱发其他恶性病理改变，导致不同痴呆程度小鼠的治疗效果具有差异性，因此AD的治疗有赖于早期诊断与干预。
HRV是近年来被广泛认可的非侵入性的自主神经功能检查方法，其特征参数的异常与整体认知功能存在关联，其中时域指标及HF等减小通常伴随认知能力受损[22]，而反映交感神经活动的LF等HRV指标越高表明认知能力水平越低[23-24]。本文中，随痴呆程度加重，AD小鼠HRV时域参数及LF明显增大，HF及非线性参数明显减小。HRV参数的变化可能与海马区神经兴奋性、突触可塑性同自主神经调节功能存在反馈调节有关。多项研究证明大脑和心脏之间存在耦合关系，且这种耦合更多地归因于脑-心脏方向[25]。本研究中，经过磁场干预，从HRV参数变化可以看出，AD小鼠自主神经调节功能增强，心脏活动复杂度增大。这可能是由于磁场刺激恢复了线粒体功能，促进突触功能长时程增强，激活了海马脑连通性，进一步激活了自主神经系统。但是线粒体动力学在心血管系统的稳态中也起着基本作用[26]，或许自主神经功能的改善除了得益于心脑耦合通路的激活，也与心肌细胞中线粒体的功能修复存在密不可分的联系。
ELF-MF在治疗AD方面具有优越的发展前景，但其作用效果依赖于频率、强度、作用对象等。例如有研究报道40 Hz的ELF-MF可以清除与AD发展有关的毒性蛋白及氧化物[27]，本研究也同样发现，40 Hz的ELF-MF改善了AD小鼠的认知能力。然而，慢性暴露于50 Hz 的ELF-MF未对小鼠的认知能力产生积极效果[28]。除频率外，作用效果也与刺激周期和强度有关。当保持相同的刺激频率和强度，仅缩短刺激周期时，ELF-MF增加了未成熟神经元的存活率，提高了突触可塑性[29]。当仅改变刺激强度时，0.1 mT的短期暴露对大鼠的认知和记忆没有影响，并且没有改变Aβ和神经元形态的表达[30]。而当加大刺激强度为10 mT时，ELF-MF不仅对不同认知障碍具有改善作用，且破坏了AD大鼠模型形成的过程[4]。本研究结果同样发现10 mT的ELF-MF能够延缓AD痴呆程度的发展。结合本文结果及国内外研究现状来看，ELF-MF在改善AD认知方面起到了积极作用，但这取决于刺激模式的选择，设置恰当的刺激参数能够有效延缓AD病理进程甚至达到逆转的效果。
本文以线粒体为治疗AD的靶点，从线粒体动力学、HRV及行为学角度探究了ELF-MF对改善AD病理进程的影响。未来计划加大样本量，设置不同模式的磁场刺激，进一步研究AD小鼠HRV参数随磁场刺激的变化规律及针对不同痴呆程度的最佳刺激模式。此外，本研究中与线粒体动力学失衡相关的分裂融合蛋白，及对于引发线粒体功能障碍的微观分子机制等尚未涉及，有待后续研究中陆续展开。
4. 结论
本研究通过分析40 Hz/10 mT脉冲磁场刺激前后各痴呆程度AD小鼠线粒体动力学及HRV特征参数，探讨40 Hz/10 mT脉冲磁场治疗AD的神经机制及反映AD病理进展的无创生理指标。结果表明40 Hz/10 mT脉冲磁场改善了AD小鼠的空间记忆学习能力，促进了AD小鼠线粒体膜嵴结构的修复，改善了线粒体动力学紊乱现象，同时增强了AD小鼠自主神经调控能力，并表现为HRV参数的特异性变化。综上，本研究证明40 Hz/10 mT脉冲磁场对AD的临床康复具有积极作用，为进一步探索采用ELF-MF进行神经反馈调控奠定了基础。
重要声明
利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。
作者贡献声明：张俪凡参与了实验设计、数据采集、数据分析和论文写作；耿读艳参与了论文选题、实验设计、论文内容审核与修改；徐桂芝参与了论文内容审核；安红霞参与了实验设计和数据采集。
伦理声明：本研究通过了河北工业大学实验动物伦理委员会的审批（批文编号：HEBUTaCUC2022043）。
Funding Statement
国家自然科学基金资助项目（52277230，51737003）；国家重点研发计划重点专项课题资助项目（2022YFC2402203）
National Natural Science Foundation of China; Funded projects of key special projects of the National Key R&D Program
References
- 1.Wu L Y, Zhao Q F, Liu J, et al. Efficient identification of Alzheimer’s brain dynamics with Spatial-Temporal Autoencoder: A deep learning approach for diagnosing brain disorders. Biomed Signal Process Control, 2023, 86(Part A): 104917.
- 2.Hu Y, Lai J, Wan B, et al Long-term exposure to ELF-MF ameliorates cognitive deficits and attenuates tau hyperphosphorylation in 3xTg AD mice. Neurotoxicology. 2016;53:290–300. doi: 10.1016/j.neuro.2016.02.012. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
- 3.Akbarnejad Z, Esmaeilpour K, Shabani M, et al Spatial memory recovery in Alzheimer’s rat model by electromagnetic field exposure. Int J Neurosci. 2018;128(8):691–696. doi: 10.1080/00207454.2017.1411353. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
- 4.Liu X, Zuo H, Wang D, et al Improvement of spatial memory disorder and hippocampal damage by exposure to electromagnetic fields in an Alzheimer’s disease rat model. PLoS One. 2015;10(5):e0126963. doi: 10.1371/journal.pone.0126963. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
- 5.Joshi A U, Mochly-Rosen D Mortal engines: Mitochondrial bioenergetics and dysfunction in neurodegenerative diseases. Pharmacol Res. 2018;138:2–15. doi: 10.1016/j.phrs.2018.08.010. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
- 6.Moreira P I, Carvalho C, Zhu X, et al Mitochondrial dysfunction is a trigger of Alzheimer’s disease pathophysiology. Biochim Biophys Acta. 2010;1802(1):2–10. doi: 10.1016/j.bbadis.2009.10.006. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
- 7.Avila J Common mechanisms in neurodegeneration. Nat Med. 2010;16(12):1372. doi: 10.1038/nm1210-1372a. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
- 8.Geng D, Wang Y, Gao Z, et al Effects of Alzheimer’s disease of varying severity on cardiac and autonomic function. Braz J Med Biol Res. 2022;55:e11504. doi: 10.1590/1414-431x2021e11504. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
- 9.陈尔冬 心率变异性的研究及应用进展. 心血管病学进展. 2014;35(4):435–439. doi: 10.3969/j.issn.1004-3934.2014.04.011. [DOI] [Google Scholar]
- 10.Tiwari R, Kumar R, Malik S, et al Analysis of heart rate variability and implication of different factors on heart rate variability. Curr Cardiol Rev. 2021;17(5):e160721189770. doi: 10.2174/1573403X16999201231203854. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
- 11.Zeki Al Hazzouri A, Haan M N, Deng Y, et al Reduced heart rate variability is associated with worse cognitive performance in elderly Mexican Americans. Hypertension. 2014;63(1):181–187. doi: 10.1161/HYPERTENSIONAHA.113.01888. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
- 12.Lin F, Ren P, Wang X, et al Cortical thickness is associated with altered autonomic function in cognitively impaired and non-impaired older adults. J Physiol. 2017;595(22):6969–6978. doi: 10.1113/JP274714. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
- 13.谭如欣, 王欣, 殷涛, 等 阿尔兹海默症转基因鼠生长过程中海马theta节律及行为学的实验研究. 生物医学工程研究. 2020;39(2):109–115. [Google Scholar]
- 14.Morris R G M Spatial localization does not require the presence of local cues. Learn Motiv. 1981;12(2):239–260. doi: 10.1016/0023-9690(81)90020-5. [DOI] [Google Scholar]
- 15.赵宪林, 方秀斌, 李东培 大鼠血管性痴呆模型制作. 中国医科大学学报. 2002;(3):8–9,18. doi: 10.3969/j.issn.0258-4646.2002.03.003. [DOI] [Google Scholar]
- 16.Grubb S C, Churchill G A, Bogue M A A collaborative database of inbred mouse strain characteristics. Bioinformatics. 2004;20(16):2857–2859. doi: 10.1093/bioinformatics/bth299. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
- 17.李世杰, 唐俐, 周凡琳, 等 不同月龄APP/PS1双转基因AD小鼠海马神经元线粒体的动态变化. 重庆医科大学学报. 2021;46(10):1141–1146. [Google Scholar]
- 18.Sprugnoli G, Munsch F, Cappon D, et al Impact of multisession 40Hz tACS on hippocampal perfusion in patients with Alzheimer’s disease. Alzheimers Res Ther. 2021;13(1):203. doi: 10.1186/s13195-021-00922-4. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
- 19.Toda T, Ito M, Takeda J I, et al Extremely low-frequency pulses of faint magnetic field induce mitophagy to rejuvenate mitochondria. Commun Biol. 2022;5(1):453. doi: 10.1038/s42003-022-03389-7. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
- 20.Ruggiero A, Katsenelson M, Slutsky I Mitochondria: new players in homeostatic regulation of firing rate set points. Trends Neurosci. 2021;44(8):605–618. doi: 10.1016/j.tins.2021.03.002. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
- 21.Xie Y, Li Y, Nie L, et al Cognitive enhancement of repetitive transcranial magnetic stimulation in patients with mild cognitive impairment and early Alzheimer’s disease: A systematic review and meta-analysis. Front Cell Dev Biol. 2021;9:734046. doi: 10.3389/fcell.2021.734046. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
- 22.Toledo M A, Junqueira L F Cardiac autonomic modulation and cognitive status in Alzheimer’s disease. Clin Auton Res. 2010;20(1):11–17. doi: 10.1007/s10286-009-0035-0. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
- 23.Mellingsæter M R, Wyller T B, Ranhoff A H, et al Reduced sympathetic response to head-up tilt in subjects with mild cognitive impairment or mild Alzheimer’s dementia. Dement Geriatr Cogn Dis Extra. 2015;5(1):107–115. doi: 10.1159/000375297. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
- 24.Cheng Y C, Huang Y C, Huang W L Heart rate variability in individuals with autism spectrum disorders: A meta-analysis. Neurosci Biobehav Rev. 2020;118:463–471. doi: 10.1016/j.neubiorev.2020.08.007. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
- 25.Won D O, Lee B R, Seo K S, et al Alteration of coupling between brain and heart induced by sedation with propofol and midazolam. PLoS One. 2019;14(7):e0219238. doi: 10.1371/journal.pone.0219238. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
- 26.Vásquez-Trincado C, Pennanen C, Parra V, et al Mitochondrial dynamics, mitophagy and cardiovascular disease. J Physiol. 2016;594(3):509–525. doi: 10.1113/JP271301. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
- 27.欧阳葵, 梁培日, 吴挺国, 等 极低频电磁场治疗对缺血性脑卒中大鼠的神经保护作用及其机制. 医学理论与实践. 2022;35(24):4141–4143. [Google Scholar]
- 28.Hadzibegovic S, Nicole O, Andelkovic V, et al Examining the effects of extremely low-frequency magnetic fields on cognitive functions and functional brain markers in aged mice. Sci Rep. 2025;15(1):8365. doi: 10.1038/s41598-025-93230-y. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
- 29.Cuccurazzu B, Leone L, Podda M V, et al Exposure to extremely low-frequency (50Hz) electromagnetic fields enhances adult hippocampal neurogenesis in C57BL/6 mice. Exp Neurol. 2010;226(1):173–182. doi: 10.1016/j.expneurol.2010.08.022. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
- 30.Zhang Y, Liu X, Zhang J, et al Short-term effects of extremely low frequency electromagnetic fields exposure on Alzheimer’s disease in rats. Int J Radiat Biol. 2015;91(1):28–34. doi: 10.3109/09553002.2014.954058. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]