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. 2019 Apr 18;51(2):206–209. [Article in Chinese] doi: 10.19723/j.issn.1671-167X.2019.02.002

运动导致兴奋脑区组织液流动一过性加速

Temporary acceleration of interstitial fluid drainage in excited brain region induced by movement

王 伟 1, 侯 进 2,∆, 黄 文强 3
PMCID: PMC7441198  PMID: 30996355

Abstract

目的

研究运动后兴奋脑区组织液(interstitial fluid, ISF)流动的变化。

方法

将20只雄性Sprague-Dawley大鼠随机分为对照组(12只)和运动组(8只), 两组大鼠均采用异氟烷进行麻醉,并动态监测尾状核区ISF流动情况,其中运动组在实验前期被放入到特制的转轮中进行运动20 min,对照组则给予持续麻醉,所有大鼠无偏瘫,运动能力良好。另外将5只大鼠采用异氟烷气体麻醉后向尾状核内植入微电极,记录运动态和麻醉态下尾状核神经元电活动。采用立体定位技术注射磁性示踪剂至尾状核ISF内,在注射前和注射后不同时间点进行一系列的磁共振扫描,直到示踪剂所致的高信号消失,采用细胞间隙定量分析系统(1.2版)对图像进行后处理和分析,监测ISF流动过程和测量相关参数,得到可反映示踪剂总量的加权信号强度(加权ΔSI)和其在ISF内的半衰期,分别计算运动组的运动前,运动后10、40、70、130和190 min各时间点以及对照组相同时间点的加权ΔSI和半衰期,采用独立样本t检验对两组测量值进行比较。

结果

微电极检测显示麻醉态和运动态下尾状核区的场电位显著不同;各时间点运动组和对照组的加权ΔSI(单位:信号强度×mm 3)分别为:运动前(60 257.1±23 069.2 vs. 61 072.0±19 547.3), 运动后10 min(83 624.3±21 475.7 vs. 71 218.1±12 586.5), 运动后40 min (57 336.0±36 243.4 vs. 69 756.1±13 306.0), 运动后70 min (43 705.9±10 246.3 vs. 55 443.2±20 733.3)、运动后130 min(7 734.9±2 645.2 vs. 8 967.6±2 007.3)和运动后190 min(2 497.3±987.5 vs. 3 013.2±1 760.8)。相对于对照组,运动组加权ΔSI在运动后40 min出现一过性的降低(P<0.05), 其余各时间点两组的加权ΔSI差异无统计学意义,两组示踪剂半衰期差异无统计学意义[(104.3±54.1) min vs. (113.4±47.3) min, P>0.05]。

结论

运动可以导致兴奋脑区ISF流动一过性加速。

Keywords: 脑, 磁共振成像, 组织液, 示踪剂, 大鼠

脑细胞间隙是脑细胞赖以生存的最直接空间,其内充满流动的组织液(interstitial fluid, ISF), 在细胞迁移、信息传递、细胞代谢与功能实现方面均发挥着非常关键的作用,且在疾病状态下会发生显著的改变[1,2,3,4]。最新的研究显示,ISF的流动存在分区分隔的特性,不同脑区内ISF流动的速率和方向显著不同,并受到外界刺激的调控,如疼痛刺激后可显著减缓ISF的流动[5]。为了进一步验证ISF调控假说,本文探讨了运动对于ISF流动的影响。

1. 资料与方法

1.1. 研究对象

动物实验得到北京大学医学部动物伦理委员会的批准(批准号:LA2012-016), 20只健康成熟的雄性Sprague-Dawley大鼠(250~300 g)被随机分为对照组(12只)和运动组(8只)两组,两组大鼠均采用异氟烷进行麻醉,并用细胞间隙定量分析系统(1.2版)监测ISF流动过程和测量相关参数,其中运动组在实验前期被放入到特制的转轮中进行运动20 min,对照组则给予持续麻醉,所有大鼠无偏瘫,运动能力良好。另用5只大鼠进行电生理实验检测。

1.2. 实验方法

大鼠的麻醉采用异氟烷和氧气混合物气体麻醉,诱导浓度4%(体积分数), 维持浓度2%(体积分数), 监测生理学参数(如体温、血压、心率和呼吸节律)。

1.2.1 微电极检测 拟进行电生理实验的大鼠在麻醉后被转移到立体定位设备上,暴露前囟并进行尾状核的定位,其定位坐标为前1.0 mm,右3.5 mm,深度6 mm。开颅后将2×8通道的微电极缓慢放入目标区域,微电极采用牙科水泥和颅骨螺丝固定在颅骨上,采用64通道的单电位记录大鼠在运动和麻醉状态下尾状核神经元活动。神经活动的滤波长度和采样率被设置为500~7 500 Hz和30 k/s。局部场电位采样率是1 k/s,滤波波长是0.5~500 Hz。采用脱机锋电位分类软件Offline-sorter对记录的神经元进行分类,移除信号的机械干扰;采用神经信号分析软件NeuroExplorer研究神经元活动和时间的相关性,记录神经元的场电位。

1.2.2 ISF流动性检测 采用细胞间隙定量分析系统(1.2版,磁共振实验室,北京,中国)对ISF流动进行检测。具体过程如下:对所有大鼠脑进行磁共振扫描获得基准图像,磁共振示踪剂二乙烯三胺五乙酸钆被稀释为10 mmol/L的溶液,通过微注射针和自动药物注射泵将2 μL稀释液注射到尾状核内,注射时间为10 min,注射完后留针5 min预防示踪剂反流。随后进行一系列磁共振扫描。运动组在注射示踪剂后进行首次磁共振扫描,然后复苏自主运动后再次麻醉,每隔30 min进行一次磁共振扫描直至示踪剂所致的高信号消失。对照组则持续给予麻醉并扫描直至示踪剂所致的高信号消失。在检查过程中用电热垫使体温维持在(38±0.5) ℃。磁共振扫描采用西门子Trio 3.0T磁共振配合使用8通道腕关节线圈进行扫描,扫描序列是T1加权三维磁化准备快速采集梯度回波序列,参数如下:回波时间3.7 ms, 重复时间1 500 ms, 翻转角 12°, 翻转时间900 ms, 层厚 0.5 mm, 视野267 mm, 像素0.5 mm×0.5 mm×0.5 mm, 采集时间290 s。对所得的图像进行后处理和分析[6]:所有扫描后的图像被自动进行刚性转化、相似度检测、插值和自适应优化后,与基准图像进行对减后得到示踪剂所致的信号强度增量(ΔSI),根据以前研究ΔSI×体积=加权ΔSI,其与示踪剂在ISF内的含量呈正比关系[7],分别计算每个时间点的加权ΔSI和半衰期t1/2。

1.3. 统计学分析

用SPSS 13.0软件进行统计分析,测量值采用x±s表示,采用独立样本t检验,P<0.05 为差异有统计学意义。

2. 结果

相比于麻醉状态,运动状态下大鼠尾状核区的局部场电位发生显著改变(图1)。

1.

采用微电极技术检测在麻醉态和运动态下尾状核区的场电位,发现两种状态下场电位显著不同

Electrophysiological recording and data analysis showed significant difference in local field potential of caudate nucleus between anesthesia and movement

Chan, channel.

1

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各时间点运动组和对照组的加权ΔSI(单位:信号强度×mm3):运动前为60 257.1±23 069.2 vs. 61 072.0±19 547.3,运动后10 min为83 624.3±21 475.7 vs. 71 218.1±12 586.5,运动后40 min为57 336.0±36 243.4 vs. 69 756.1±13 306.0,运动后70 min为43 705.9±10 246.3 vs. 55 443.2±20 733.3、运动后130 min为7 734.9±2 645.2 vs. 8 967.6±2 007.3、运动后190 min为2 497.3±987.5 vs. 3 013.2±1 760.8。相对于对照组,运动组加权ΔSI在运动后40 min出现一过性降低(P<0.05), 其余各时间点两组的加权ΔSI差异无统计学意义,两组示踪剂半衰期差异无统计学意义[(104.3±54.1) min vs. (113.4±47.3) min,P>0.05,图2]。

2.

2

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磁共振横断位显示运动组和对照组中尾状核区ISF流动过程

Axial views of MRI showed the ISF drainage of caudate nucleus

3. 讨论

脑细胞间隙在活体是38~64 nm的狭窄空间,占据整个脑容积20%的空间,其内充满流动的ISF,ISF的流动和成分与脑的生理和病理状态显著相关。ISF的流动是脑内物质转运动力之一,ISF内含有多种离子、糖类、氨基酸、酶类、激素、神经递质及脑细胞代谢废物等,并与脑脊液广泛联通,为细胞补给营养、清除代谢产物和传导信号提供媒介。物质在ISF内的转运既与ISF的生物物理性质(如水通道蛋白、液体黏度等)有关,也与所含物质的化学物理性质(如分子量大小、电荷等)有关[8,9]。最近研究显示脑浅表的皮层神经元活动可以引起一过性的ISF流动速度减慢[10],另外体外痛觉刺激及帕金森病、阿尔兹海默病等疾病均可导致ISF流动发生显著改变[11,12],这些均提示脑ISF的流动具有可被调控的特性。

本实验中我们选择尾状核作为研究的目标脑区,主要出于以下考虑:尾状核是鼠脑内最大的神经核团之一,方便示踪剂的导入和进行清晰的磁共振显像,更重要的是其与运动行为密切相关。解剖上,尾状核的输入神经纤维主要来自新皮层所有区域和黑质致密部的纤维,还有少量的来自丘脑和杏仁核的,其投射纤维即可通过丘脑到前额叶,也可下行投射到丘脑、苍白球和黑质网状部。在生理功能上,尾状核作为脑内多巴胺含量最丰富的区域,是多巴胺相关的情感-运动环路的重要一环,参与情感控制性运动和情感自主性运动。情感控制性运动是出于情感预期产生的即时运动,而情感自主性运动是通过长期学习后,出于对情感预期产生的下意识的运动。通过尾状核建立的这种情感引导型运动体系,生物体趋利避害,在充满竞争的社会得以生存[13,14,15]。在尾状核损伤的研究中,均表现出控制性运动和自主运动损伤[16];帕金森病患者不仅表现为控制性运动的速度和准确性的降低,而且丧失了进行自主运动的能力[17]。本实验采用微电极方法检测到运动时尾状核区域的场电位显著改变,进一步说明运动可以激发尾状核区神经细胞活动。基于以上原因,尾状核是研究运动后兴奋脑区ISF流动变化较理想的脑区。

本研究结果显示,运动后40 min ISF内示踪剂含量较对照组减少,但其半衰期未改变,因此我们认为运动后尾状核区ISF流动增强、其内物质清除能力增加,而且表现为一过性的短时程效应。研究显示影响ISF流动能力的因素众多,既有物理因素如转运驱动力,也有生物化学因素如细胞基质或生物大分子等,其中动脉搏动压力和水通道蛋白4(aquaporin-4,AQP4)被认为是关键因素[9,18-19]。动脉搏动是促进ISF和脑脊液交换的主要驱动力,研究显示通过结扎单侧颈内动脉降低动脉搏动,脑脊液与ISF交换效率随之降低,而使用肾上腺素受体激动后动脉搏动增强可显著提高脑脊液与ISF交换的效率。AQP4是脑内表达量最多的水通道蛋白,高度表达于星形胶质细胞足突,构成了脑脊液和ISF内物质转运的重要路径,改善帕金森病模型中的AQP4的表达和极性分布,会显著加快ISF内β淀粉样蛋白的清除。另外体内激素变化也会影响ISF流动,研究显示去甲肾上腺素通过收缩软脑膜动脉使ISF流动速率呈现昼夜节律变化[10]。本研究中,运动上调相关脑区ISF流动速率,认为可能与运动刺激动脉搏动进而提高ISF与脑脊液交换效率有关。

但本研究结果与我们近期所发现的痛觉刺激后丘脑区ISF流动长时程减慢的现象不一致[5]。我们认为可能与刺激模式有关,不同刺激模式诱发不同脑内环境的变化从而产生不同的生理效应。激发丘脑神经元活动的痛觉刺激属于输入性刺激,而且是不愉快的刺激,诱导ISF流动减慢,其内物质清除减缓,可能与疲劳感产生或记忆强化效应相关。运动刺激属于输出型刺激,是愉悦的或应急的刺激,通过加速ISF流动和脑内代谢产物的清除,促进神经元的恢复,产生与睡眠相似的作用,可以解释人在运动后产生的思维敏锐或亢奋的现象。对于两者表现出的效应时程的不一致,我们考虑主要与两脑区的解剖结构不同相关,尾状核内神经细胞占比较小,而丘脑内神经细胞占比大[18],因此刺激后尾状核神经细胞活动的程度和范围要弱于丘脑,从而引起ISF流速变化的幅度弱、时程短。

综上所述,我们认为ISF的流动可被外界刺激调控,进而影响神经元活力,产生相应的生理效应,这将使我们更好地理解脑功能活动和其运作机制。

(本文编辑:刘淑萍)

Funding Statement

国家自然科学基金（61827808）; 首都科技领军人才培养工程（Z181100006318003）

the National Natural Science Foundation of China(61827808); Program for Training Capital Science and Technology Leading Talents(Z181100006318003)

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