Sci Adv | 张力/苏国辉合作揭示运动改善学习记忆的关键分子机制

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对于运动改善脑健康的机制，目前学术界较为公认的看法是，体育锻炼可促进神经营养因子释放，增加神经发生，从而改善抑郁及认知障碍等。暨南大学粤港澳中枢神经再生研究院张力课题组前期研究利用双光子在体成像，证实跑步机训练可通过激活脑内BDNF信号通路，减少慢性压力应激导致的小鼠感觉皮层V层锥体神经元（L5PRN）顶树突棘的丢失，进而改善相关工作记忆缺陷【1】。然而对于运动激活的BDNF下游信号通路是如何调控神经可塑性及学习记忆，我们目前还缺乏充分的在体研究证据。

2019年7月3日，张力、苏国辉联合课题组于Science Advances期刊在线发表题为Exercise training improves motor skill learning via selective activation of mTOR的研究论文。该研究工作发现了慢性跑步机训练可激活小鼠皮层中雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信号通路，进而改善神经网络可塑性和动物的运动技能习得【2】。上述结果明确了mTOR通路相关的细胞代谢活动及其调控的神经可塑性在运动改善认知中发挥的关键作用，也为未来在人群中开展运动干预提供了重要参考。

课题组因此对可能调控运动改善学习记忆的分子通路进行了深入研究。利用在体双光子成像，发现平板跑步机训练增加小鼠运动皮层内L5PRN顶树突棘新生率（Formation rate）以及新生树突棘存活率（Survival rate）。免疫印迹检测发现运动增加皮层mTOR核心蛋白、衔接蛋白Raptor和下游核糖体蛋白S6的磷酸化水平。课题组同时通过脑片体外电生理记录和双光子在体钙成像，确立了慢性运动增加皮层L5PRN神经元活动性。上述运动介导的改善效应在给予雷帕霉素阻断后均被有效阻断，证实了运动改善神经可塑性依赖于mTOR激活。同时，运动还可增强小鼠胼胝体区域的轴突髓鞘化水平。而行为学实验也证实了运动可通过激活mTOR通路改善动物对复杂运动技能的习得。

课题组的研究成果，初步建立了运动通过激活mTOR通路改善突触结构-功能可塑性，从而提高认知功能的机制（如图所示）。这一结果把mTOR通路所介导的细胞代谢活动和学习记忆紧密联系起来，并由此揭示了其在运动干预中发挥的作用。未来的研究工作将以此为出发点，建立运动干预的精确靶点和疗效评价依据，推动在人群中实施运动干预精神疾病和改善认知障碍。

本项研究由暨南大学粤港澳中枢神经再生研究院张力副教授主持完成，苏国辉院士为共同通讯作者，陈凯博士为第一作者。

原文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/5/7/eaaw1888

制版人：珂

参考文献

1. 2017 Treadmill exercise suppressed stress-induced dendritic spine elimination in mouse barrel cortex and improved working memory via BDNF/TrkB pathway. Chen K, Zhang L, Tan M, Lai CSW, Li A, Ren C and So KF. Translational Psychiatry. 7(3):e1069.

2. 2019 Exercise training improves motor skill learning via selective activation of mTOR. Chen K, Zheng Y, Wei J-a, Ouyang H, Huang X, Zhang F, Lai CSW, Ren C, So KF and Zhang L. Science Advances. 5:eaaw1888.