论文部分内容阅读
丰富环境(enriched environment, EE)为大脑提供了多个方面的刺激，包括物理运动、多感官/认知刺激和社交性刺激等。在动物模型中，人们已经从行为学、解剖学、生理学、生物化学和分子水平上对EE暴露对大脑可塑性的影响进行了广泛的研究，发现EE暴露会导致功能上和结构上的神经可塑性，并且不同的EE暴露时间伴随着不同的认知过程，神经活动和可塑性的改变。此外，人们还对EE作为一个神经病学/精神病学类疾病的治疗和康复手段的潜能进行了探讨。这些研究大都使用长期的EE暴露，并集中于对某些特定的感兴趣脑区的研究，如海马、前额叶皮层、体感/运动皮层和纹状体。近年来，磁共振成像技术的快速发展使得在全脑水平上对大脑的功能和结构进行无偏研究成为可能。然而使用活体磁共振成像技术来探测EE暴露期间大脑功能活动和结构改变的研究在之前的文献中是缺乏的。无偏描绘EE暴露期间全脑功能活动模式和结构变化将有助于我们进一步理解和阐明与EE相关的神经可塑性的神经生物学机制。
基于以上背景，本论文工作主要运用活体锰离子增强磁共振成像(manganese-enhanced magnetic resonance imaging, MEMRI)，并辅以离体的免疫组织化学技术，在全脑水平上研究了两个不同时间的短期(7天和2天)EE暴露对正常成年小鼠大脑功能和结构的影响。本论文将2天EE暴露定义为急性暴露以更好地与7天亚急性EE暴露作区分。主要内容如下：
首先，使用活体MEMRI技术探测了自由活动的小鼠在7天亚急性EE暴露过程中累积的全脑水平的功能活动，并进行了c-Fos蛋白免疫组织化学染色。我们发现与饲养于标准环境(standard environment, SE)的小鼠相比，EE暴露小鼠的前额叶皮层、体感皮层、基底节、杏仁核、运动丘脑、外侧下丘脑、腹侧海马及中脑多巴胺脑区的MEMRI信号强度显著增加，并且其中一些而非全部脑区同时伴随着c-Fos蛋白表达的增加。研究还发现饲养于EE中的小鼠的总食物摄取量显著增加、体重增量显著减少，中脑多巴胺能脑区的TH蛋白的表达上调。
其次，使用活体MEMRI技术研究了7天亚急性丰富环境暴露对小鼠大脑结构的影响。研究发现MEMRI可以检测到7天EE暴露对成年小鼠大脑体积的改变。再结合前文的功能分析的结果，发现EE暴露引起的大脑结构和功能的改变并不总是保持同步性。但是，体积增大的脑区与功能活动增加的脑区之间有很强的结构上的连接。BrdU和BrdU/c-Fos蛋白免疫组织化学染色结果发现EE相关背侧海马齿状回(DG)体积的增加伴随着细胞增殖的增加，但新增殖的细胞并未参与大脑的功能活动。这也表明了我们观察到的DG区c-Fos阳性细胞数的增加并不是由于细胞增殖造成的。
最后，使用活体MEMRI技术研究了2天急性EE暴露对全脑功能活动及大脑结构的影响。研究发现两天的丰富环境暴露也能引起脑功能活动和脑体积的改变，且可以被MEMRI检测到。与7天EE暴露的结果相比，结果显示有些脑区功能和结构的改变在EE暴露的前期就已经开始，并且持续了一周的时间。同时也观测到不同时间的暴露过程中大脑功能活动和结构可塑性的动态变化。
总的来说，本文的工作发现丰富环境暴露可以导致正常成年小鼠多个神经连接环路的多个脑区的功能和结构发生改变，并且不同的暴露时间伴随着不同程度的功能和结构的改变。这些发现可能是EE相关的神经可塑性以及EE对神经/精神疾病(如药物成瘾、帕金森病和饮食障碍)有治疗作用的基础，并为我们探索EE对这些疾病的治疗提供新思路。
基于以上背景，本论文工作主要运用活体锰离子增强磁共振成像(manganese-enhanced magnetic resonance imaging, MEMRI)，并辅以离体的免疫组织化学技术，在全脑水平上研究了两个不同时间的短期(7天和2天)EE暴露对正常成年小鼠大脑功能和结构的影响。本论文将2天EE暴露定义为急性暴露以更好地与7天亚急性EE暴露作区分。主要内容如下：
首先，使用活体MEMRI技术探测了自由活动的小鼠在7天亚急性EE暴露过程中累积的全脑水平的功能活动，并进行了c-Fos蛋白免疫组织化学染色。我们发现与饲养于标准环境(standard environment, SE)的小鼠相比，EE暴露小鼠的前额叶皮层、体感皮层、基底节、杏仁核、运动丘脑、外侧下丘脑、腹侧海马及中脑多巴胺脑区的MEMRI信号强度显著增加，并且其中一些而非全部脑区同时伴随着c-Fos蛋白表达的增加。研究还发现饲养于EE中的小鼠的总食物摄取量显著增加、体重增量显著减少，中脑多巴胺能脑区的TH蛋白的表达上调。
其次，使用活体MEMRI技术研究了7天亚急性丰富环境暴露对小鼠大脑结构的影响。研究发现MEMRI可以检测到7天EE暴露对成年小鼠大脑体积的改变。再结合前文的功能分析的结果，发现EE暴露引起的大脑结构和功能的改变并不总是保持同步性。但是，体积增大的脑区与功能活动增加的脑区之间有很强的结构上的连接。BrdU和BrdU/c-Fos蛋白免疫组织化学染色结果发现EE相关背侧海马齿状回(DG)体积的增加伴随着细胞增殖的增加，但新增殖的细胞并未参与大脑的功能活动。这也表明了我们观察到的DG区c-Fos阳性细胞数的增加并不是由于细胞增殖造成的。
最后，使用活体MEMRI技术研究了2天急性EE暴露对全脑功能活动及大脑结构的影响。研究发现两天的丰富环境暴露也能引起脑功能活动和脑体积的改变，且可以被MEMRI检测到。与7天EE暴露的结果相比，结果显示有些脑区功能和结构的改变在EE暴露的前期就已经开始，并且持续了一周的时间。同时也观测到不同时间的暴露过程中大脑功能活动和结构可塑性的动态变化。
总的来说，本文的工作发现丰富环境暴露可以导致正常成年小鼠多个神经连接环路的多个脑区的功能和结构发生改变，并且不同的暴露时间伴随着不同程度的功能和结构的改变。这些发现可能是EE相关的神经可塑性以及EE对神经/精神疾病(如药物成瘾、帕金森病和饮食障碍)有治疗作用的基础，并为我们探索EE对这些疾病的治疗提供新思路。