跑步训练重塑皮质星形胶质细胞和神经元活动以改善慢性酒精暴露下的运动学习障碍
论文背景及研究动机
酒精滥用是一个全球性的健康问题，影响了超过8%的男性人口。长期的酒精暴露会改变大脑内部神经元和突触的稳态，导致各种精神障碍和认知缺陷，尤其是运动学习方面的问题。以往的研究表明，酒精滥用引起的神经元衰退和突触损失严重影响了脑皮层和皮层下的功能。此外，研究还发现除了神经元，神经胶质细胞也在酒精的影响下发生了显著变化。已有文献中提到酒精滥用引起的微胶质信号传导改变和少突胶质细胞谱系分化受损问题，但有关神经元和胶质细胞活动变化的体内证据仍然不足。
本研究旨在通过设立慢性酒精暴露的小鼠模型，利用持续的跑步机训练和体内成像技术，探讨运动训练在恢复皮质神经元和星形胶质细胞功能方面的作用。这一研究期望揭示运动训练在改善因酒精暴露引起的运动学习缺陷和碱 性突触形成方面的潜力，从而为酒精滥用的康复提供新的科学依据。
论文来源介绍
这篇论文题为《Treadmill Exercise Reshapes Cortical Astrocytic and Neuronal Activity to Improve Motor Learning Deficits Under Chronic Alcohol Exposure》，由Linglin Liu, Lanzhi Luo, Ji-An Wei, Xintong Xu, Kwok-Fai So, Li Zhang等学者共同撰写。研究得到了中国教育部中枢神经系统再生重点实验室、香港大学李嘉诚医学院等机构的支持，于2024年2月在《Neuroscience Bulletin》上正式发布。
研究详细内容
研究流程
实验动物准备
使用的实验动物为5-6周龄的雄性C57BL/6J小鼠和Thy1-YFP小鼠，均来源于广东医学实验动物中心并在实验室内繁育。此外，还获取了不同种类的病毒载体进行注射和转基因操作以用于后续的光学成像和基因表达实验。
慢性酒精暴露模型
小鼠通过连续18天每日进行1000mg/kg的酒精（无水乙醇）肌肉注射来建立慢性酒精暴露模型。对照组小鼠注射等量的生理盐水。
跑步机训练
将一半酒精暴露的小鼠安排在跑步机上进行每日1小时的训练，速度在8-12米/分钟不等，训练同样持续18天。对照组的小鼠被置于固定的跑步机设备上，但是不进行实际的跑步训练。
病毒载体立体定向注射
使用病毒载体（如AAV-GFAP-GCaMP6s）进行立体定向注射，标记小鼠运动皮质中的神经元和星形胶质细胞的钙信号。注射完成后进行一段时间的恢复以确保病毒表达的有效性和稳定性。
行为学测试
多种行为测试用于评估小鼠的运动学习能力和晚期行为，包括开放场测试、升高迷津测试、加速转棒测试和杆子爬行测试等。这些测试为验证酒精暴露及其在运动训练下的影响提供了重要的依据。
主要结果
运动学习缺陷的缓解
在运动学习测试中，经过18天酒精暴露的小鼠表现出显著的运动学习功能减退，如转棒测试和杆子爬行测试表现较差。而经过持续跑步机训练后的小鼠，这些运动学习缺陷得到了显著的改善。
突触结构和功能的调整
在体内2光子成像中，发现酒精处理导致鼠运动皮质中突触密度的降低和突触形成率、消失率的降低。而经过训练的小鼠这些指标得到了恢复，显示出运动训练对突触结构和功能的正向调节作用。
神经元钙信号的恢复
钙成像结果显示，酒精暴露组的小鼠表现出总钙活动和峰值钙瞬变的降低，但在经过跑步机训练后，钙活动得到了显著恢复。特别是，训练还有效降低了由酒精引起的神经元同步化。
星形胶质细胞活性调节
酒精暴露明显增加了星形胶质细胞的钙活动，而经过跑步机训练后，其活动水平恢复到正常范围。此外，星形胶质细胞的结构变化显示，酒精暴露引起胶质细胞体积增大和过程过度增加，运动训练可以缓解这些过度反应，恢复其正常形态。
研究结论及意义
此研究首次提供了酒精滥用下运动训练对中枢神经系统特别是运动皮质区域的恢复作用的详细证据。通过揭示运动训练如何通过调节神经元和星形胶质细胞间的相互作用，改善酒精引起的运动学习障碍，研究证明了耐力运动在酒精滥用康复中的潜在应用价值。研究还指出了星形胶质细胞在运动训练中的关键角色，进一步深化了对星形胶质细胞-神经元相互作用在突触可塑性和学习记忆功能中的理解。
亮点及新见解
探讨星形胶质细胞在酒精滥用和康复中的作用
本研究揭示了星形胶质细胞不仅在酒精滥用中扮演重要角色，在运动训练的康复过程中也参与了突触形成和神经活动的调节。
多种行为测试验证运动训练效果
通过包括开放场测试、升高迷津测试、转棒测试和杆子爬行测试等多种行为学测试，全方位验证了跑步机训练对改善酒精引起的运动学习缺陷的有效性。
采用先进的体内成像技术追踪细胞活动
应用2光子钙成像技术，详细展示了神经元和星形胶质细胞在不同实验处理下的动态活动变化，为深入理解细胞活动模式提供了高分辨率的数据支持。
提出新的康复干预机制
研究发现的运动训练通过调节星形胶质细胞与神经元的相互作用改善突触形成和功能这一新机制，为开发酒精滥用康复的新策略提供了科学依据。
研究局限及未来展望
尽管本研究揭示了运动训练在酒精滥用康复中的潜在机制，但也存在一些局限性。例如，本研究仅使用了雄性小鼠模型，未来研究应涵盖雌性小鼠以探索性别差异的影响。此外，运动训练对其 他脑区如小脑、纹状体等在酒精滥用和康复中的作用也是值得进一步深入研究的领域。未来的研究可以进一步分析运动训练导致的代谢和分子机制变化，以全面理解运动对改善酒精滥用效应的潜在机制。