衰老是一个不可避免的生理过程。随着衰老的进程,大脑功能逐步减退,主要表现为认知功能的下降。运动是一种简单方便的干预措施,能够降低认知功能的老年性减退、延缓神经退行性疾病的发生。但是,运动改善大脑功能的内在机制,目前还未完全清楚。海马结构是最易受到衰老影响的大脑区域之一;同时,在运动训练后海马结构也发生了明显的结构和功能改变,如海马结构内新生神经元形成的能力增强、神经元树突复杂性和突触可塑性的增加等。有髓神经纤维是维持神经冲动快速传导的结构基础,运动训练后海马结构内有髓神经纤维的改变可能对大脑功能的改善有重要作用。但是,迄今为止尚未见到运动训练对海马结构内有髓神经纤维作用的定量研究。毛细血管为神经组织提供了氧气和营养供应,对神经元的正常活动具有重要生理意义,大脑毛细血管的改变必然会影响大脑功能。目前在运动对大脑皮质毛细血管作用的研究文献中,未见研究人员运用体视学方法进行三维定量,获得的结果均是毛细血管密度值,但密度值不能准确反映毛细血管的总量。因此,本实验选用14月龄Sprague-Dawley大鼠作为中老年动物模型,对大鼠进行4个月的跑步训练,然后运用新的体视学方法分别对大鼠海马结构内有髓神经纤维和皮质内毛细血管的改变进行定量研究。第一部分短期跑步训练对中老年大鼠海马结构及其内有髓神经纤维的影响1材料与方法1.1 14月龄雌性Sprague-Dawley大鼠10只,随机分为空白对照组和跑步训练组,每组各5只。大鼠体重280±20 g。1.2跑步训练组大鼠在动物跑台进行训练。每周训练5天,每天20 min;训练强度为:第一周10 m/min,第二周15 m/min,从第三周开始为20 m/min。持续4个月。空白对照组大鼠不进行跑步训练。1.3训练时间结束后,用Morris水迷宫进行连续5天的空间学习能力的测试,前四天为隐藏平台实验,第五天为可见平台实验。1.4将大鼠麻醉、灌注固定后,随机抽取一侧大脑半球,从中随机抽取5块海马结构组织块(1 mm3),制作成60 nm超薄切片,从每张切片上随机抽取15个视野在透射电镜下放大9000倍拍照。1.5运用体视学方法分别计算出大鼠大脑海马结构总体积、海马结构内有髓神经纤维长度密度和总长度、体积密度和总体积、平均直径。2结果2.1跑步训练组大鼠在隐藏平台实验中平均潜伏期较对照组明显缩短(p<0.05);在第五天的可见平台实验中,两组大鼠的潜伏期之间没有明显区别(p>0.05)。2.2跑步训练组大鼠海马结构的总体积为82.7±6.5 mm3,对照组海马结构总体积为74.4±4.6 mm3。跑步训练组大鼠海马结构总体积比对照组显著增大了11.2%(p<0.05)。2.3跑步训练组大鼠海马结构内有髓神经纤维的总长度为15.1±1.7 km,对照组海马结构内有髓神经纤维的总长度为8.3±1.1 km。跑步训练组大鼠海马结构内有髓神经纤维的总长度比对照组显著增大了81.9%(p<0.01)。2.4跑步训练组大鼠海马结构内有髓神经纤维的总体积为7.1±1.6 mm3,对照组海马结构内有髓神经纤维的总体积为5.7±1.4 mm3。跑步训练组与对照组大鼠海马结构内有髓神经纤维的总体积无显著性差异(p>0.05)。2.5跑步训练组大鼠海马结构内有髓神经纤维的平均直径为0.66±0.04μm,对照组海马结构内有髓神经纤维的平均直径为0.80±0.09μm。跑步训练组大鼠海马结构内有髓神经纤维的平均直径比对照组明显减小了17.5%(p<0.05)。第二部分短期跑步训练对中老年大鼠皮质及其内毛细血管的影响1材料与方法1.1 14月龄雌、雄性Sprague-Dawley大鼠各10只,分别随机分为跑步训练组和空白对照组,每组各5只。大鼠体重280±20 g。1.2跑步训练组大鼠在动物跑台进行训练。每周训练5天,每天20 min;训练强度为:第一周10 m/min,第二周15 m/min,从第三周开始为20 m/min。持续4个月。空白对照组大鼠不进行跑步训练。1.3将大鼠麻醉、灌注固定后,从每只大鼠随机抽取一侧大脑半球,以冠状方向切取2 mm厚的连续脑组织切片,从每张脑切片上切取一张4μm厚的各向同性切片,用兔抗胶原IV多克隆抗体进行免疫组化染色。在100倍油镜下从每张切片皮质区域随机选取4~6个视野拍照。1.5运用体视学方法分别计算出大鼠大脑皮质总体积、皮质内毛细血管长度密度和总长度、体积密度和总体积、表面积密度和总表面积、平均直径。2结果2.1雌性跑步训练组大鼠大脑皮质总体积为582.5±37.1 mm3,对照组大鼠大脑皮质总体积为474.2±75.3 mm3,与对照组相比,跑步训练组大鼠大脑皮质总体积显著增大了22.8%(p<0.05)。雄性跑步训练组大鼠大脑皮质总体积为605.0±23.1 mm3,对照组大鼠大脑皮质总体积为598.8±51.4 mm3,两组之间无显著性差异(p>0.05)。2.2雌性跑步训练组大鼠大脑皮质内毛细血管的总长度为299.5±42.6 m,对照组大鼠大脑皮质内毛细血管的总长度为235.1±27.1 m,与对照组相比,跑步训练组大鼠大脑皮质内毛细血管的总长度显著增大了27.4%(p<0.05)。雄性跑步训练组大鼠大脑皮质内毛细血管的总长度为425.1±34.9 m,对照组大鼠大脑皮质内毛细血管的总长度为353.2±81.9 m,两组之间无显著性差异(p>0.05)。2.3雌性跑步训练组大鼠大脑皮质内毛细血管的总体积为9.1±1.0 mm3,对照组大鼠大脑皮质内毛细血管的总体积为8.0±1.2 mm3,两组之间无显著性差异(p>0.05)。雄性跑步训练组大鼠大脑皮质内毛细血管的总体积为9.7±2.5 mm3,对照组大鼠大脑皮质内毛细血管的总体积为9.4±1.9 mm3,两组之间无显著性差异(p>0.05)。2.4雌性跑步训练组大鼠大脑皮质内毛细血管的总表面积为51.4±6.3 cm2,对照组大鼠大脑皮质内毛细血管的总表面积为41.8±5.4 cm2,跑步训练组大鼠大脑皮质内毛细血管的总表面积较对照组显著增大了23.0%(p<0.05)。雄性跑步训练组大鼠大脑皮质内毛细血管的总表面积为65.1±11.6 cm2,对照组大鼠大脑皮质内毛细血管的总表面积为62.0±9.6 cm2,两组之间无显著性差异(p>0.05)。2.5雌性跑步训练组大鼠大脑皮质内毛细血管的平均直径为5.5±0.4μm,对照组大鼠大脑皮质内毛细血管的平均直径为5.6±0.2μm,两组之间无显著性差异(p>0.05)。雄性跑步训练组大鼠大脑皮质内毛细血管的平均直径为4.9±0.5μm,对照组大鼠大脑皮质内毛细血管的平均直径为5.7±1.0μm,两组之间无显著性差异(p>0.05)。全文结论1.本研究首次运用新的体视学方法定量研究短期跑步训练对中老年大鼠大脑海马结构内有髓神经纤维及皮质内毛细血管的作用。2.证实了短期跑步训练可以显著提高中老年雌性大鼠的空间学习能力。3.短期跑步训练对中老年雌、雄性大鼠大脑皮质内毛细血管的作用存在性别差异。4.首次发现短期跑步训练可以显著增加中老年雌性大鼠大脑海马结构内有髓神经纤维总长度以及大脑皮质内毛细血管总长度和总表面积。跑步训练后大脑海马结构内有髓神经纤维和大脑皮质内毛细血管的改变可能是跑步训练改善中老年雌性大鼠空间学习能力的重要结构基础之一,这些结果为将来寻找延缓大脑衰老进程的行为学手段提供了重要的科学依据。