不同负荷运动OX1R信号参与NCAM表达调控影响学习记忆功能的机制研究

The effect of exercise load on learning and memory functions and the molecular mechanisms have been received much more concern. The extent of the effect depends on the alterations of the neurons traits, function, and key regulatory molecules in hippocampal. Our research group previously demonstrates and reports that the detrimental effect of spatial learning and memory induced by ultimate load exercise is associated with the downregulation of neural cell adhesion molecule (NCAM), however, appropriate exercise can upregulate orexin receptor 1 (OX1R)and NCAM protein expressions in hippocampus and these two molecules are positively correlated with each other. We further found that the blocking of OX1R signaling leads to the reduction of NCAM protein levels in hippocampus,but the underlying mechanisms are unclear. Based on the literature and our previous studies, we propose the hypothesis that the OX1R signaling in hippocampus induced by different load exercises regulates NCAM expression by activating or blocking of ERK1 / 2 and p38MAPK pathways to affect the learning and memory activities. The project aims to elucidate the molecular mechanism of NCAM expression regulation by OX1R signaling in hippocampus under different load exercises by carrying out a series of experiments including animal ethology, neural electrophysiology, the application of morphological, gene and protein expression assays. This project will provide new ideas and methods for exploring the molecular mechanism of learning and memory activities induced by load exercise, and provide the scientific reference for exploring the effective central fatigue prevention and elimination measures.

运动性负荷对中枢学习记忆功能的影响及其作用机制备受关注，其影响程度依赖于海马神经元性状、机能以及关键调控分子的变化。申请者课题组前期证实并报道过极限负荷运动对空间学习记忆的损害与海马NCAM（神经细胞粘附分子）蛋白水平下降有关，而适宜运动可上调海马OX1R（食欲素受体1）和NCAM蛋白表达，二者表达呈正相关；我们进一步发现阻断OX1R信号导致海马NCAM蛋白水平下调，但潜藏的具体机制尚不清楚。基于文献依据及前期的研究，申请者提出不同负荷运动下OX1R信号通过激活或阻断ERK1/2和p38MAPK通路调控海马神经元NCAM表达影响学习记忆活动的假说。本项目拟从行为学、应用形态学、神经电生理、基因和蛋白表达等角度入手，揭示不同负荷运动下海马OX1R信号调控NCAM表达的分子机制。项目将为揭示负荷运动影响学习记忆的发生机制提供新思路、新方法，以期为探寻有效的中枢疲劳预防、消除措施提供科学资料。

大脑是整个机体的最高调节中枢，其功能正常与否直接关系到机体的学习记忆功能。海马、额叶以及小脑是学习记忆的重要部位，特别是与空间认知功能有关。运动能够影响学习与记忆活动，同时也影响着脑各部的神经结构。深入揭示不同负荷运动对学习记忆功能的影响及其发生机制，可为深入研究运动影响脑健康的机制提供新思路、新方法，为全民健身和竞技体育提供神经生物学资料。大量研究已经证实运动可以改变学习记忆相关分子蛋白表达，如脑源性神经营养因子（BDNF）、神经粘附分子（NCAM）、生长相关蛋白（GAP）等，而最新研究表明食欲素（OXA）及其受体（OX1R）与海马神经可塑性有一定关系，但运动对其影响机制的研究还属空白。.本研究通过构建不同负荷运动（过度负荷及适宜运动）动物模型，选择在体和离体研究模式，研究不同负荷运动对大脑学习记忆能力的影响、相互差异以及内在关联。在此基础上，深入探讨海马、额叶和小脑的OX1R信号调控NCAM表达的分子机制。证实不同运动负荷条件下OX1R和NCAM共同参与学习记忆活动的调控，揭示二者调节学习记忆活动中扮演的角色、联系和规律以及不同运动负荷条件下OX1R信号调控神经细胞NCAM表达的分子机制。实验将大鼠分为三大组：对照组、中等负荷组和过度负荷组。对照组自然喂养8周，中等负荷运动组游泳干预8周（1h/d，6d/周），过度负荷运动组游泳干预8周(前2周运动负荷同中等运动负荷组第6周递增负自身体重5%，2h/d,6d/周）。采用Morris水迷宫实验，测定不同运动对大鼠空间学习记忆能力的影响。采用ELISA技术测定血清内血睾酮含量；采用Real time PCR技术检测各记忆相关蛋白mRNA表达水平；采用免疫荧光、Western blot技术检测各蛋白表达水平。行为学测试显示，中等负荷运动后，大鼠空间学习记忆能力及对记忆的提取能力得到显著改善，而过度负荷运动后大鼠空间学习记忆能力及对记忆的提取能力有所下降。分子生物学实验显示，中等负荷运动后，海马、额叶以及小脑部位NCAM mRNA及NCAM蛋白的表达显著升高（p<0.05），海马OXA mRNA表达显著升高（p<0.05）而OXA蛋白表达显著降低（p<0.05），OX1R mRNA及OX1R蛋白显著降低（p<0.05）；额叶OXA mRNA、OXA蛋白、OX1R mRNA、OX1R蛋白表达显著降低（p<0.05）；小脑O