地磁场及其变化对成体哺乳动物海马神经发生的影响研究

The geomagnetic field maintains the Earth's long-term habitability for living organisms by preventing the radiation of solar wind and the oxygen and water ions escape. Geomagnetism studies found that since the Phanerozoic, at least 800 times geomagnetic polarity reversals have happened; During reversals, the geomagnetic intensity significantly decreased to 10% - 20% that of before reversal. Geomagnetic field variations have direct or indirect effects on the life of the earth. Adult hippocampal neurogenesis plays an important role in mammalian central nervous system. In recent years, the effects of extremely low frequency or high frequency magnetic fields on adult hippocampal neurogenesis has aroused great concern. However, as one of the important environmental factors, the role of the geomagnetic field and its changes in the adult hippocampal neurogenesis remains unknown. This project will study the effects and mechanism of geomagnetic field and its changes on adult hippocampal neurogenesis using high sensitivity immunohistochemistry and molecular biology technology. The successful implementation of this project will represent a significant step forward in our understanding of the relationship between the geomagnetic field and mammalian nervous system. Moreover, study of this project will provide new evidence for the effective evaluation on the effect of hypomagnetic field on astronauts’ health in deep-space exploration.

地磁场通过阻挡高能粒子入侵和约束水、大气氧逃逸来维持地球的宜居性，对地球上的生命产生直接或间接作用，影响生物的演化过程。地磁学家研究发现：显生宙以来至少发生过约800多次地磁极性倒转，在倒转期间地磁强度显著降低至倒转前的10%-20%。成体海马神经发生是哺乳动物中枢神经系统最重要的特征之一。近年来，极低频或高频磁场对成体海马神经发生的影响研究引起人们极大关注。但是，作为重要的环境因子之一，地磁场及上述地磁场变化对成体海马神经发生的重要影响目前尚未可知。本项目将以哺乳动物成体海马神经发生为切入点，通过赫姆霍兹线圈系统和磁屏蔽屋提供模拟磁场，采用高灵敏的免疫组化和分子生物学方法，从细胞和分子水平对地磁场及其变化对海马神经发生的影响开展深入研究，以获得磁场作用的阈值和机理，揭秘地磁场在动物中枢神经系统发育中的重要作用；并为评估深空探测中磁场变化对航天员神经系统的影响提供重要实验支持。

本项目通过地球物理学和生命科学学科交叉，以哺乳动物模式小鼠的海马神经发生为研究对象，开展了地磁场被抵消环境（亚磁场）对海马神经发生的过程和功能影响研究，取得以下研究成果：1）对比研究幼年和成年不同年龄段小鼠，发现相比较地磁场组，亚磁场组小鼠血清中5羟色胺的含量从第6周到第10周都呈现显著性降低（P < 0.05），第9周除外；亚磁场组幼年小鼠经暴露2周白细胞数量显著性增加，其它暴露时长无显著性差异；而亚磁场暴露1周成年小鼠的白细胞数量也显著性增加，其它时长无显著性差异。其它红细胞、粒细胞等血常规指标均无影响。因为白细胞是免疫细胞，说明地磁场减弱对哺乳动物是不良的环境因子刺激。2）发现连续长时间的亚磁场暴露第6周起，成年小鼠海马齿状回神经干细胞的增殖和新生神经元的分化能力显著降低；并且亚磁场处理显著降低了小鼠新生神经元树突的总长度减少、树突分枝结构的复杂度及突触棘密度，使神经元树突发育受到明显抑制。与海马相关的学习记忆等动物行为学研究显示，亚磁场组小鼠在海马依赖的新位置、新物体识别中均表现出明显的认知缺陷，说明亚磁场暴露损害小鼠成体海马神经发生并影响其认知。但是通过返回地磁场2周起可以恢复亚磁场小鼠成体海马神经发生的抑制和损伤；揭示小鼠内源性ROS水平是维持成体海马神经发生的基础，可能是响应地磁场变化的重要分子，并进一步调控神经发生过程。通过升高ROS水平可恢复地亚磁场组小鼠海马神经干细胞的增殖、神经元的分化及树突发育受到地抑制和功能损伤，而过高ROS水平会引起细胞凋亡显著升高，这表明地磁场环境下维持细胞内适宜的ROS水平是维持正常海马神经发生的基础。项目执行期间，共发表国际SCI文章2篇，已接收待刊1篇；发表国内核心2篇（其中第一资助3篇，第三资助2篇），项目执行期间培养2人获得博士/硕士学位，项目组成员多次在美国地球物理学年会、中国地球科学联合学术年会和中国动物学会年会上作口头和墙壁报告交流。本项目执行顺利，基本完成设定目标，揭示了地磁场在成体海马神经发生中的重要性，为研究亚磁场的神经生物学效应机制提供了新的认识，同时为深空探测中亚磁场环境对人类宇航员神经系统的影响评估提供了重要实验依据和医学干预策略。