鎂離子對小鼠學(xué)習(xí)記憶影響

1、鎂離子對鼠學(xué)習(xí)及記憶能力的影響理解圍產(chǎn)期腦損傷的發(fā)病機(jī)制代表了今天的圍產(chǎn)期醫(yī)學(xué)最大挑戰(zhàn)之一。近些年許多關(guān)于腦損傷致病源的假設(shè)都被駁倒。在過去，腦癱（CP）幾乎完全歸因于圍產(chǎn)期缺氧。但實(shí)際上，腦癱個體中窒息可能最多只占百分之二十的原因。目前圍產(chǎn)期感染，特別是胎兒/羊膜感染，一直涉及不同神經(jīng)發(fā)育類疾病的發(fā)病機(jī)制，包括CP精神分裂癥自閉癥，和一大類廣泛的行為和認(rèn)知缺陷疾病。最近，流行病學(xué)研究表明，常見的孕產(chǎn)婦感染，包括尿，路和牙周感染，都與胎兒腦損傷有關(guān)，雖然具體的機(jī)制在很大程度上是未知的。動物研究表明，用脂多糖（LPS）模擬產(chǎn)婦感染/炎癥能喚起胎兒系統(tǒng)性羊膜和胎盤炎癥的反應(yīng)，最重要的是，可以增加促

2、炎的表達(dá)細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-6和與壓力相關(guān)的肽促腎上腺皮質(zhì)激素釋放因子在胎兒中的表達(dá)。而胎兒的細(xì)胞因子表達(dá)的增加又與長期的腦損傷相關(guān)。因此這些發(fā)現(xiàn)表明產(chǎn)婦感染/炎癥就可能引起胎兒腦損傷。直到最近還沒有圍產(chǎn)期可使用藥物來預(yù)防腦損傷。一些抗炎代理已經(jīng)提出，但沒有關(guān)于他們受益的確鑿證據(jù)。在過去的十年里，幾個頗具前瞻性研究以懷孕的患者為對象，發(fā)現(xiàn)硫酸鎂（MG） 在預(yù)防白質(zhì)在早產(chǎn)兒腦損傷中起到神經(jīng)保護(hù)作用。在他們近期的研究里，對懷孕的老鼠在受孕初期18天里通過腹腔注射LPS，再利用核磁共振成像技術(shù)檢測它們分娩出來的幼鼠。結(jié)果證明，注射過LPS后生下的小鼠患有不同程度的大腦白質(zhì)及灰質(zhì)損傷。而損傷的區(qū)域（包

3、括背側(cè)紋狀體，內(nèi)側(cè)隔核嗅皮質(zhì)和齒狀回分子）我們已知是與學(xué)習(xí)和記憶能力相關(guān)的。根據(jù)這些研究結(jié)果及對新生兒腦損傷治療的日益迫切，他們團(tuán)隊(duì)尋求LPS誘導(dǎo)腦損傷后表現(xiàn)出的動物行為學(xué)特征，并且進(jìn)一步研究鎂離子中和或者消除這種異常行為的能力。材料與方法動物來源及處理Sprague-Dawley懷孕的老鼠（總24只，每組6只）（哈倫斯普拉格Dawley公司，芝加哥，IL）已受孕11天。并允許開始實(shí)驗(yàn)前有7天的適應(yīng)階段。動物保持在控制溫度（37 ）和控制光（早上6點(diǎn)，開燈；下午6點(diǎn)，關(guān)燈）。而控制設(shè)施提供食物和水在整個研究中是隨意的。生理鹽水和鎂離子由皮下注射，而LPS則腹腔注射給藥。LPS （大腸桿菌血清型

4、0111：B4）利用生理鹽水配制，注射量按照出生體重在500毫克/公斤。在妊娠18天，對24只老鼠（每組6只）進(jìn)行注射。LPS（500毫克/公斤）或同等體積的生理鹽水在時間為0。Dam被隨機(jī)分配為皮下注射正常治療生理鹽水（NS）或鎂離子（700毫克/公斤注射后，27毫克/公斤每20分鐘）2小時前和MG或鹽水2小時后。LPS（共10劑量的27毫克/公斤）注入的毫克270毫克/公斤2小時。LPS或生理鹽水后注入。最后產(chǎn)生給藥不同的四個小組： （控制：NS-NS-NS；LPS：NS-LPS-NS；MG：MG-NS-MG；LPS-MG：MG-LPSMG）。雙向閃避測驗(yàn)研究大鼠學(xué)習(xí)和記憶能力，我們使用一

5、個雙向穿梭閃避盒子。雙向穿梭回避盒，放置在一個昏暗的，通風(fēng)，衰減噪聲的柜子里，是一個矩形室（60，26，28厘米）但用不透明的板子分隔為小區(qū) （10，8厘米）連接2并排，同等大小的方形隔間。兩個隔間的金屬網(wǎng)格層重量敏感；微型傳送信息老鼠的位置傳輸和自動數(shù)據(jù)收集，包括條件刺激（CS）聲音由位于遠(yuǎn)端墻的隔間的喇叭發(fā)出，和無條件刺激（US）電擊刺激，以及記錄老鼠的反應(yīng)。過程每只老鼠完成一整套測試包括70個小的行為學(xué)痕跡條件作用測試。每套測試分為三個部分：條件刺激（CS），無條件刺激（US）和刺激間隔（ITI）。首先是10秒的CS聲音刺激；CS停止后立刻是US，0.8mA的電刺激最多10秒；而后是IT

6、I大約30±6秒。ITI是在兩個痕跡條件測試的中間。這個時間并不確定，但要保證不能使老鼠預(yù)測到下一個測試到來的時間。老鼠相應(yīng)產(chǎn)生三個回應(yīng)：（1）回避，老鼠在得到CS聲音測試后會躲進(jìn)相鄰的隔間，直到CS結(jié)束和ITI開始后，這樣能避免電擊；（2）逃跑，在電擊開始后才躲進(jìn)相鄰的隔間，直到電擊開始，結(jié)束和ITI開始；（3）無回應(yīng)，包括無法跑進(jìn)相鄰的隔間，直到10秒電擊結(jié)束后ITI的開始。因此老鼠便經(jīng)歷了整個電擊過程。躲避/逃跑比例尺是指每個組每次測試的躲避/逃跑的老鼠平均數(shù)。實(shí)驗(yàn)初級結(jié)果即可衡量老鼠的學(xué)習(xí)和記憶能力。結(jié)果即躲避/逃跑老鼠的數(shù)量比總實(shí)驗(yàn)鼠的數(shù)量在每10個小測試?yán)?。在模型中，一個

7、老鼠如果能躲避電擊表明它有更高的學(xué)習(xí)和記憶能力。結(jié)果與分析所有組中一個月大的老鼠在經(jīng)過7整個實(shí)驗(yàn)后學(xué)習(xí)能力得到明顯提高。結(jié)果還證明LPS很明顯能夠使3個月大的老鼠的學(xué)習(xí)能力下降，但是在注射LPS后加入鎂離子卻能夠完全消除這種下降程度。令人驚奇的是，在實(shí)驗(yàn)最后LPS-MG組的學(xué)習(xí)能力是最強(qiáng)的。之前核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對懷孕十八天的老鼠注射LPS可以誘導(dǎo)25天大的幼鼠產(chǎn)生大腦白質(zhì)和灰質(zhì)的損傷。眾所周知，這些損傷的部位都對學(xué)習(xí)和記憶過程有著關(guān)鍵作用。近期的研究中，有人證明了大腦損傷與臨床可能也有關(guān)系，如該LPS組中，三個月大的老鼠的學(xué)習(xí)能力被嚴(yán)重減弱。最近還有研究表明，產(chǎn)前壓力對幼兒有著長期影響，

8、不僅是對哺乳動物下丘腦-垂體-腎上腺有著重要影響，還對其行為/荷爾蒙的發(fā)展有影響。流行病學(xué)和臨床學(xué)都有證據(jù)表明懷孕期間受到感染會影響幼兒未來的免疫系統(tǒng)，甚至導(dǎo)致精神分裂癥狀或者情感障礙缺陷。最新最大的人類數(shù)據(jù)表明，提高母親在懷孕期間的C反應(yīng)蛋白量，會使嬰兒患上精神疾病的風(fēng)險增大。圍產(chǎn)期產(chǎn)生的壓力會降低雄性成年鼠的學(xué)習(xí)和記憶能力。雄性成年鼠在胎兒時期發(fā)生過炎癥，其海馬神經(jīng)元就在局部的炎癥微環(huán)境中被損害。本研究中，利用雙向穿梭閃避測試來檢測行為學(xué)結(jié)果與孕婦炎癥之間的關(guān)系，以及Mg的神經(jīng)保護(hù)功效。結(jié)果證實(shí)LPS可導(dǎo)致學(xué)習(xí)能力的明顯下降而且鎂離子可以能夠恢復(fù)這種學(xué)習(xí)能力的缺失。因此，能夠提出一個有趣的

9、問題：三個月大時，LPS-MG組的平均學(xué)習(xí)能力超過了所有其他組，甚至是生理鹽水對照組和單獨(dú)MG組。這種出乎意料的結(jié)果仍然無法找到原因。由對照組任意三個的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)看，鎂離子的神經(jīng)保護(hù)作用僅僅限制在頭兩年。最近一項(xiàng)PREMA試驗(yàn)的長期后續(xù)研究（在出生前注射硫酸鎂來保護(hù)大腦的實(shí)驗(yàn)）發(fā)表了。他們檢測了未成熟小孩（7-14歲）的神經(jīng)保護(hù)結(jié)果。盡管大部分該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的意義，但是能表現(xiàn)出很明顯的傾向。這些MG組孩子的動作，感知，和行為學(xué)上的損傷以及死亡率都低于其他。而MG組的孩子也更不容易得腦癱或者動作障礙的疾病。組間最明顯的差異出現(xiàn)在學(xué)生時期。兒童中復(fù)讀的比例，鎂離子組明顯低于安慰劑組。

10、研究結(jié)果也證實(shí)了鎂離子不僅僅能夠保護(hù)大腦白質(zhì)，也能能夠保護(hù)大腦灰質(zhì)和后代的感知能力。經(jīng)過鎂離子的具體工作機(jī)理仍然未知。但很可能與天冬氨酸受體（NMDA-R）有關(guān)。NMDA-R對學(xué)習(xí)和記憶過程是至關(guān)重要的。Manning等人證明了老鼠寡樹突膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的寡樹突膠質(zhì)細(xì)胞興奮性毒素?fù)p傷及細(xì)胞凋亡都與NMDA受體的活性有關(guān)。相似的，鎂離子能夠很明顯的降低NMDA受體在鼠大腦中的結(jié)合能力。Burd等人則利用LPS誘導(dǎo)小鼠早產(chǎn)模型來研究鎂離子的短期效應(yīng)。他們并沒有發(fā)現(xiàn)在促炎因子，細(xì)胞凋亡標(biāo)志，星型膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)育之間的區(qū)別。然而，他們卻發(fā)現(xiàn)了懷孕母鼠如果曾注射LPS那么其后代的腦發(fā)育將有不同。但這種腦部的損害

11、用鎂離子可以補(bǔ)償。所有這些研究可以總結(jié)出，鎂離子的確能夠作用于腦部，關(guān)注一些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路或許能夠幫助找到這種發(fā)生機(jī)制。再認(rèn)真注意這兩組年齡：未成年（一個月大）和成年（三個月大）。發(fā)育中和成熟后大腦之間的學(xué)習(xí)能力為何不同仍需要進(jìn)一步解釋。在一個月大，鼠腦仍在進(jìn)化中。三十天后，鼠腦的髓鞘急速發(fā)育停止而膽堿能系統(tǒng)的成熟開始，并持續(xù)到第六十天。另外，在第三十五天，多巴胺系統(tǒng)開始進(jìn)化。另外，下面兩點(diǎn)應(yīng)用讓我們及時地發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)能力隨著時間的變化。Enayati等人在母鼠懷孕晚期注射LPS，并在小鼠出生后的40天，80天測試它們的焦慮和低落行為狀況。這個研究揭示了隨著后代年齡增長，它們行為上的缺陷也會更嚴(yán)重。

12、本文支持此結(jié)論，并發(fā)現(xiàn)了組間差異最大的時期便是成年期，這也反過來證明母體懷孕對后代的嚴(yán)重?fù)p害及長期影響。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)和臨床研究，鎂離子不僅僅是對兒童早期有作用，而且對成年后的影響更大。本文實(shí)驗(yàn)的局限性如下：（1）本實(shí)驗(yàn)排除了雄性個體；（2）動物模型雖然被認(rèn)為是對人類有極相似的結(jié)果，但仍需要重復(fù)人體實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證鎂離子可以修復(fù)大腦損傷的結(jié)果。更多樣本數(shù)能完善本實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于第一次證明了母鼠妊娠時受到的傷害會降低其后代雄性小鼠的學(xué)習(xí)及記憶能力。但同時鎂離子可以恢復(fù)這種記憶能力的傷害。同時，鎂離子在過去一直被認(rèn)為只與白質(zhì)損傷有關(guān)，但本文發(fā)現(xiàn)灰質(zhì)損傷同樣關(guān)系到大腦傷害。本文證明灰質(zhì)傷害的修復(fù)與鎂離子有關(guān)。總之，我們證明LPS在母體懷孕期間嚴(yán)重危害了后代的學(xué)習(xí)和記憶能力。但同時這種危害可用鎂離子的補(bǔ)充來挽救。綜合之前的實(shí)驗(yàn)，不難看出鎂離子極可能在母體受損的時期起到保護(hù)大腦灰質(zhì)和白質(zhì)的重要作用。參考文獻(xiàn)1.Lamhot, V.B., et al., Magnesium sulfate prevents maternal inflammation-induced impairment of learning ability and memory in rat offspring. Am J Obstet Gynecol, 2015. 213(6): p. 851 e1-8.2.T