本方案描述了一种定制设计的“被动头部运动”系统，可重现啮齿类动物在中等速度跑台上跑步时其头部所受到的机械加速度。该系统有助于将机械因素/组分从体育锻炼的有益效应中分离出来。
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方法文章
应用被动头部运动在啮齿类动物头部产生定义明确的加速度
* These authors contributed equally
本文内容
摘要
摘要
运动被广泛认为对多种疾病和身体功能障碍具有疗效，包括与脑功能障碍相关的疾病。然而，运动有益作用背后的分子机制尚不明确。许多身体锻炼，特别是被归类为有氧运动的锻炼（如慢跑和步行），在脚部接触地面时会产生瞬时的冲击力。因此，人们推测机械冲击可能参与了运动对机体稳态的调节作用。为了检验这一关于脑部的假说，研究人员开发了一种定制的“被动头部运动”（以下简称PHM）系统，该系统能够以可控且明确的幅度和模式产生垂直加速度，模拟中等速度跑台跑步时可能作用于啮齿类动物头部的机械刺激，而中等速度跑台跑步是动物实验中测试运动效应的典型干预方式。利用该系统，研究证实PHM可重现小鼠前额叶皮层（PFC）神经元中5-羟色胺（5-羟色胺，以下简称5-HT）2A受体亚型（5-HT2A）的信号通路激活。本研究提供了应用PHM以及测量啮齿类动物头部所受机械加速度的详细实验方案。
引言
运动有助于治疗或预防多种身体疾病，包括糖尿病和原发性高血压等生活方式疾病1。与此相关，已有大量证据表明运动对脑功能具有积极影响2。然而，运动对大脑益处背后的分子机制在很大程度上仍不清楚。大多数体力活动和锻炼都会在头部产生一定程度的机械加速度。尽管各种生理现象受到机械调控，但在大多数情况下，机械负荷的重要性主要记录于肌肉骨骼系统3,4,5。虽然在体力活动中，特别是所谓的冲击性运动期间，大脑也会受到机械力的作用，但关于生理脑功能的机械调控研究却很少。由于在锻炼过程中头部产生机械加速度的现象相对普遍，人们推测机械调控可能参与了运动对脑功能的有益作用。
在神经系统中发挥功能的各种生化信号中，5-HT2A受体信号通路对于调节情绪和行为至关重要。该受体参与多种精神疾病6,7,8，而运动已被证实对这些疾病具有治疗作用。5-HT2A 受体是5-HT2受体的一个亚型，属于5-羟色胺受体家族，同时也是G蛋白偶联受体（GPCR）家族的成员，其信号传导受到受体内吞作用的调控，这种内吞可为配体依赖性或非依赖性9。头部抽动是啮齿类动物的一种特征性行为，其发生数量（频率）明确反映了其前额叶皮层（PFC）神经元中5-HT2A受体信号的强度10,11。利用这种致幻反应对给予的5-HT具有严格特异性的特点（头部抽动反应，以下简称HTR；见补充视频1），我们检验了上述关于机械刺激在运动对脑功能影响中作用的假说。因此，我们分析并比较了接受强制运动（跑步机跑步）或模拟运动的机械干预（PHM）的小鼠的HTR表现。
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方案
所有动物实验均经国家残疾人康复中心机构动物护理与使用委员会批准。采用8-9周龄雄性Sprague-Dawley大鼠，用于测量跑步机跑步和PHM期间头部的加速度。采用9-10周龄雄性C57BL/6小鼠，用于前额叶皮层（PFC）的行为学测试和组织学分析。实验动物购自商业来源（见材料表）。
1. 跑步机跑步过程中沿x轴、y轴和z轴加速度大小的测量
- 使用1.5%异氟烷吸入麻醉大鼠。
注意：大鼠在进入实验室环境后至少适应1周再使用。确保大鼠对后肢脚趾夹捏无反应。 - 使用手术胶带将加速度计（见材料表）固定在大鼠头部顶部。
- 待大鼠完全从麻醉中恢复后，将其放入跑步机设备中（见材料表），并将跑步机速度调整至中等速度（20 m/min）12（图1A）。
注意：在停止异氟烷吸入后，至少需要20分钟确认大鼠完全恢复，方可开始跑步机实验。确保大鼠对后肢脚趾夹捏有反应，能够行走或奔跑且无明显步态不稳。 - 根据制造商的说明，使用配套应用软件测量大鼠在跑步机上奔跑时的垂直加速度幅度（见材料表）。
注意：提取10个连续波形，分别计算三维轴向（x、y 和 z 轴，图1B）的平均加速度。通过定义与步伐同步的波形（约2 Hz频率）为跑步机运动引起的加速度，量化峰值幅度（图1C）。本研究选用大鼠，因其体型较大，适合可靠地测量头部垂直加速度，而小鼠因体型过小无法实现该测量。然而，在后续研究中使用小鼠，因其在头部抽动反应的定量分析方面更简便且结果更可靠。
2. PHM 系统的调节及在小鼠中的应用
- 在PHM系统中预设平台振荡的振幅和螺旋形凸轮的旋转速度（图1D使垂直加速度的幅值和频率与步骤 1.4 中获得的数值一致。
注意：PHM 系统由金属框架和木质平台组成。通过调节与内置驱动器相连的旋钮，可改变并控制电机转速（参见 材料表600的刻度盘对应2 Hz， 图1E螺旋桨形凸轮具有四个叶片，每级高度为5 mm图1F). - 麻醉小鼠 通过 吸入1.2%异氟烷。
注意：小鼠在进入实验室环境后需至少适应1周方可使用。确保小鼠对后肢脚趾夹捏无反应。 - 将小鼠置于俯卧位，头部置于可振荡平台，身体其余部分置于静态平台。
注意：保持小鼠处于麻醉状态（1.2% 异氟烷）。 - 打开电机以使平台垂直振荡，并对小鼠施加PHM。
注意：将电机速度调节至使平台以 2 Hz 振荡（见步骤 2.1）。以相同方式麻醉并放置对照小鼠于 PHM 平台，但保持电机关闭。
3. 小鼠在跑步机上的运行
- 将小鼠置于跑步机上，并将跑步速度调整至中等速度（10 m/min）13。
4. 小鼠头部抽动反应（HTR）的定量分析
- 设置视频摄像机（帧率：24 fps），以记录透明塑料箱内的整个空间。
注意：使用塑料笼是为了使小鼠保持在视频记录的视野范围内。 - 向小鼠腹腔注射5-羟基色氨酸（5-HTP）（100 mg/kg）（参见材料表），该物质是5-HT的前体。
- 将小鼠放入透明笼中，并开始录制30分钟。
- 回放录制的视频（1/2倍或1/3倍速度），手动计数头部抽动次数。
注意：分析人员未对实验过程设盲。具有特征性的"类似抽搐"的快速动作（参见补充视频1）被计为头部抽动，这种动作在正常饲养环境中极少发生。
5. 小鼠前额叶皮层的免疫组织化学分析
- 完成HTR实验后，通过腹腔注射给予小鼠咪达唑仑（4.0 mg/kg）、丁丙诺啡（4.0 mg/kg）和美托咪啶（0.3 mg/kg）混合物以进行麻醉，随后用含4%多聚甲醛（PFA）的PBS灌流，并根据已发表的文献方法取出脑组织14,15。
- 将脑组织在4% PFA的PBS溶液中于4 °C继续固定24小时，然后转移至30%蔗糖/PBS溶液中保存直至组织沉底。将固定好的脑组织包埋于最佳切割温度化合物（OCT化合物，见材料表）中并冷冻。
- 从载玻片盒中取出小鼠脑的冷冻切片（见材料表）。将载玻片置于洁净的擦拭纸上，在室温下静置直至样品完全脱水。
注：使用冷冻切片机（见材料表），从包埋在OCT化合物中的冷冻样品制备厚度为20微米的矢状面切片（外侧+0.5–1.5 mm）。 - 使用液体阻断笔（见材料表）在载玻片上围绕冷冻切片组织画一个圆圈，以限制溶液（含0.1% Tween-20的Tris缓冲盐水，TBS-T）的扩散范围。
- 在放置载玻片的托盘底部放置湿润的擦拭纸，以形成湿润环境。
- 用TBS-T溶液进行通透处理后，在室温下用4%驴血清（见材料表）封闭1小时。
- 将载玻片浸入TBS-T溶液中清洗一次，每次5分钟。
- 在每张载玻片上加入100 µL适当稀释的一抗与DAPI混合液（见材料表），盖上托盘以防止样品干燥，并在室温下孵育过夜。
- 用TBS-T溶液清洗三次，每次孵育5分钟。
- 在每张载玻片上加入100 µL适当稀释的种属匹配的荧光二抗（偶联Alexa Fluor 488、568或645）（见材料表），在室温下孵育1小时。
- 用TBS-T溶液清洗三次，每次孵育5分钟。
- 使用封片剂（见材料表）封片，并加盖盖玻片。
- 在荧光显微镜下观察样品。
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结果
大鼠在跑台上以中等速度（20 m/min）跑步时，其头部垂直加速度的峰值幅度约为 1.0 × g（图 1C）。PHM 系统（图 1D）被设定为在啮齿类动物头部产生 1.0 × g 的垂直加速度峰值。
对小鼠应用PHM（2 Hz，每天30分钟，持续7天）显著减轻了其头部抽动反应（HTR），与对照组小鼠（每天麻醉但不施加PHM，每次30分钟，持续7天）相比具有明显差异（图2）。这表明PHM对前额叶皮层神经元中5-HT2A受体信号通路具有抑制作用。
跑步机跑动和PHM显著增强了小鼠前额叶皮层神经元中5-HT2A受体内化（图3）。一致地，跑步机跑动和PHM均下调了5-HTP诱导的小鼠前额叶皮层神经元c-Fos表达，而c-...
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讨论
利用开发的PHM应用系统，我们已证明前额叶皮层神经元中的5-HT信号受到机械调控。由于运动效应具有复杂性，因此在促进健康的背景下，精确解析运动的影响一直存在困难。本研究重点关注机械因素，以排除运动过程中或运动后可能发生的代谢事件（如能量消耗）的参与或影响。此处描述的方法有望在探索运动对脑功能影响机制的生物医学研究中得到更广泛的应用。
目前的系统需要对实验动物实施麻醉后才能进行PHM处理，而麻醉可能对脑内神经细胞的行为和过程产生影响（无论有益或有害）。通过改进系统，包括调整PHM所产生的机械加速度的幅度、模式和波形，或许可以实现无需麻醉的PHM操作。例如，与当前PHM使用的1 × g 冲击性峰值相比，采用正弦波形且加速度峰值更小的刺激，可能使动物感受到更为舒适的刺激。或者，也可采用新的方法，以最小化应激的方式将实验动物固定在振荡平台上。这些改进和优化是可行的，主要原因在于PHM产生的加速度在本质上相当于中等强度的运动，不太可能对实验动物造成“疼痛性”的应激。
许多先前的研究报道，适度运动是一种有效治疗或预防多种...
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披露
作者声明，本文所述工作不存在任何竞争利益。
致谢
本工作部分得到了日本厚生劳动省内部研究基金、日本学术振兴会科学研究费补助金（KAKENHI 15H01820、15H04966、18H04088、20K21778、21H04866、21K11330、20K19367）、日本文部科学省私立大学战略研究基础强化事业（2015–2019，S1511017）以及Naito Science & 工程基金会。本研究还获得了再生康复研究联盟的资助 & 培训中心（AR3T），由美国国立卫生研究院（NIH）下属的尤妮斯·肯尼迪·施莱弗国家儿童健康与人类发展研究所（NICHD）、国家神经疾病与中风研究所（NINDS）和国家生物医学成像与生物工程研究所（NIBIB）资助，资助编号为 P2CHD086843。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 5-羟基色氨酸（5-HTP） | Sigma-Aldrich | H9772 | 血清素（5-HT）前体 |
| 无刷电机驱动器 | Oriental motor | BMUD30-A2 | 内置调速功能的电机驱动器 |
| C57BL/6 小鼠 | Oriental yeast company | C57BL/6J | 本研究中使用的小鼠 |
| 冷冻切片机 | Leica | CM33050S | 用于切割冷冻样品的切片机 |
| 直流电机 | Oriental motor | BLM230-GFV2 | 电机 |
| 驴抗山羊 Alexa Fluor 568 | Invitrogen | A-11057 | 用于免疫组织化学染色的二抗 |
| 驴抗小鼠 Alexa Fluor 647 | Invitrogen | A-31571 | 用于免疫组织化学染色的二抗 |
| 驴抗兔 Alexa Fluor 488 | Invitrogen | A-21206 | 用于免疫组织化学染色的二抗 |
| 驴血清 | Sigma-Aldrich | S30-100ML | 免疫组织化学染色中用于阻断抗体非特异性结合的封闭剂 |
| 荧光显微镜 | Keyence | BZ-9000 | 荧光显微镜 |
| 山羊多克隆抗-5-HT2A 受体 | Santa Cruz Biotechnology | sc-15073 | 用于免疫组织化学染色的一抗 |
| 异氟烷 | Pfizer | v002139 | 吸入性麻醉剂 |
| KimWipe | NIPPON PAPER CRECIA | S-200 | 实验室中用于清洁表面、部件和仪器的擦拭纸 |
| 液体阻断剂（Liquid Blocker） | Daido Sangyo | PAP-S | 用于使载玻片表面具有疏水性的标记笔 |
| 小鼠单克隆抗-NeuN（克隆 A60） | EMD Millipore (Merck) | MAB377 | 用于免疫组织化学染色的一抗 |
| NinjaScan-Light | Switchscience | SSCI-023641 | 用于测量加速度的加速度计 |
| OCT 包埋剂 | Sakura Finetek | 45833 | 用于制备冷冻组织切片的包埋介质 |
| ProLong Gold 抗荧光淬灭封片剂 | Invitrogen | P36934 | 防止荧光信号衰减的封片介质 |
| 兔多克隆抗-c-Fos | Santa Cruz Biotechnology | sc-52 | 用于免疫组织化学染色的一抗 |
| 载玻片盒 | AS ONE | 03-448-1 | 用于存放载玻片的不透光盒子 |
| Spike2 | Cambridge electronic design limited (CED) | N/A | 用于分析加速度的应用软件 |
| Sprague-Dawley 大鼠 | 日本 SLC | Slc:SD | 本研究中使用的大鼠 |
| 跑步机装置 | Muromachi | MK-680 | 用于大鼠和小鼠强制跑动实验的系统 |
参考文献
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