有氧运动对AD模型前额叶皮层不同频段频段神经振荡的影响

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研究目的:观察阿尔茨海默症(alzheimer’s disease,AD)模型临床前期(4月龄)前额叶皮层局部神经网络delta、theta、alpha、beta、gamma不同频段振荡特征,及8周规律有氧运动对各频段特征的影响,探讨有氧运动延缓AD发生、发展的可能机制,为AD高风险人群非药物个性化生活方式干预提供一定实验室依据。研究方法:(1)健康清洁级4月龄APP/PS1/Tau转基因小鼠随机分为AD安静组(AS)、AD有氧运动组(AE),同月龄C57BL/6J小鼠为正常安静对照组(CS),每组15只。动物自由饮食,AE组从2月龄开始进行8周有氧运动。(2)运动方案:强迫跑台运动8周,5d/w,60min/d,前10min跑速为12m/min,后50min为15m/min。(3)在体多通道技术在小鼠前额叶中植入微阵列电极,手术恢复一周,采集清醒笼内安静状态、不同速度平衡杆转棒运动前和运动时的神经电信号。对原始场电位信号进行时频分析和不同频段神经振荡功率谱密度(power spectral density,PSD)分析;Offline sorter识别神经元,neuroexplorer根据自相关、互相关特征进行神经元分类,统计不同时段锥体神经元(pyramidal neurons,PN)和中间神经元(interneurons,IN)激活个数,计算IN/PN放电频率比值评价各时段神经网络兴奋抑制特征。研究结果:(1)笼内安静状态:AS组前额叶皮层delta、theta、alpha、beta频段PSD较CS组增加(P<0.01),gamma频段PSD显著降低(P<0.01);8周有氧运动干预后delta、theta、alpha、beta频段PSD显著降低(AE vs AS,P<0.01),gamma频段PSD显著升高(AE vs AS,P<0.01)。棒上不同速度运动前三组各频段PSD在5rpm前显著低于笼内安静状态(P<0.01)。CS组delta、theta、alpha频段随转速增加至15rpm、20rpm时PSD显著高于低转速前安静状态(P<0.01),gamma频段PSD无显著差异。AS组delta、theta、alpha、beta、gamma各频段在各转速前PSD递增趋势显著增加(P<0.01)。AE组delta频段在15rpm后出现PSD显著高于低转速前安静状态(P<0.01),alpha频段在20rpm时出现PSD高于低转速前安静状态(P<0.01),beta频段在8rpm后出现PSD高于低转速前安静状态(P<0.01),theta、gamma频段各转棒前安静状态的PSD无显著性差异。(2)转棒运动过程中,随速度增加,CS组delta、theta频段在8rpm后出现PSD高于各低转速(P<0.01),alpha频段在15rpm后出现PSD高于各低转速(P<0.01),beta、gamma频段在8rpm的PSD显著高于5rpm、15rpm、20rpm(P<0.01)。AS组在开始5rpm出现delta、theta、alpha、beta频段PSD呈递增趋势(P<0.01vs CS),gamma频段在8rpm后出现PSD高于各低转速(P<0.01)。AE组delta、theta、alpha频段在15rpm后出现PSD高于各低转速(P<0.01),beta、gamma频段变化同CS组(P<0.01)。(3)神经元分类结果:清醒安静状态下持续稳定记录三组实验动物前额叶脑电活动10min。采集到的数据中三组共筛选出92个神经元,PN 62个,IN 30个。CS组筛选出27个神经元,包括PN 17.8±4.1个,IN 10.8±2.2个;AS组34个神经元,包括PN 24.5±2.1个,IN 9.0±2.8个;AE组31个神经元,包括PN 21.5±2.1个,IN 9.5±0.7个。转棒运动中,CS、AS和AE组前额叶脑电活动在每一速度下分别记录3min。记录过程中共筛选出112个神经元,其中PN 77个,IN 35个。CS组筛选出33个神经元,包括PN 19.5±3.5个,IN 10.5±0.7个;AS组筛选出40个神经元,其中PN 30.0±0.7个,IN11.0±1.4个;AE组筛选出39个神经元,其中PN 27.0±0.9个,IN 12.0±1.4个。(4)IN/PN放电频率结果:清醒安静状态时CS组IN/PN比3.76,AS组IN/PN比5.18,AE组IN/PN比4.25,三组IN/PN无显著性差异。各转速前棒上安静时段的IN/PN比亦无统计学意义。在平衡杆转棒运动中,从8rpm开始,至15rpm、20rpm运动时,AS组IN/PN均显著高于CS组(8rpm:P<0.01;15rpm、20rpm:P<0.05),有氧运动干预后AE组较AS组显著降低(P<0.05)。随速度增加,AS组IN/PN呈上升趋势;CS、AE组在各转速时IN/PN无显著差异。研究结论:(1)APP/PS1/Tau转基因小鼠临床前期(4月龄)前额叶皮层清醒安静状态低频段网络振荡功率增加;在运动准备及工作任务执行期,delta、theta、alpha、beta低频段振荡功率及gamma频段功率虽有改变,但特征性不明显。(2)有氧运动可以有效调节AD模型临床前期前额叶delta、theta、alpha、beta低频段振荡功率及gamma频段功率,改善皮层状态。
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