Исследователи из Южного медицинского университета и Куньминского медицинского университета опубликовали в журнале Brain Research Bulletin результаты эксперимента о влиянии регулярного бега на мозг грызунов среднего возраста. Авторы выяснили, что ежедневные тренировки на беговой дорожке в течение четырёх месяцев помогли девятимесячным мышам быстрее ориентироваться в пространстве, сохранили структуру нейронов гиппокампа и увеличили в нём число клеток — предшественников нервной ткани.
С возрастом ткань гиппокампа — отдела мозга, отвечающего за память и ориентацию в пространстве, — постепенно деградирует. В зубчатой извилине гиппокампа снижается число стволовых клеток, способных давать начало новым нейронам, а сами нервные клетки хуже справляются со стрессом. Предыдущие работы показывали пользу аэробных упражнений для пластичности мозга, но авторы новой статьи решили проследить комплексный клеточный и молекулярный отклик при непрерывных тренировках на протяжении трети взрослой жизни грызуна.
Тренировки на дорожке и водный лабиринт
Исследователи разделили двенадцать самцов мышей линии C57BL/6J на две группы по шесть особей. На старте животным было по девять месяцев: для мышей это зрелый возраст перед началом старения, сопоставимый с человеческим средним возрастом. Мыши из тренировочной группы занимались на электрической дорожке по одному часу в день пять раз в неделю со скоростью 12 метров в минуту. Бег проходил без электрических ударов или принудительных стимулов, а после каждого занятия грызуны отдыхали десять минут с доступом к воде и корму. Контрольные мыши ежедневно проводили тот же час на выключенной неподвижной дорожке в том же помещении.
Через четыре месяца регулярных занятий тринадцатимесячные мыши прошли тест в водном лабиринте Морриса. Установка представляет собой круглый бассейн диаметром 1,4 метра с непрозрачной водой, где под поверхностью спрятана площадка диаметром 15 сантиметров. Животное ориентируется по внешним меткам на стенах комнаты, чтобы найти укрытие и выбраться на островок. Обучение длилось пять дней подряд по четыре попытки в сутки. Уже на пятый день тренированные мыши добирались до скрытой платформы быстрее малоподвижных сородичей и преодолевали заметно более короткую общую дистанцию в воде.
Через сутки после завершения обучения авторы убрали платформу из бассейна и провели контрольный заплыв. Тренированные самцы целенаправленно искали островок и пересекали место его прежнего расположения существенно чаще мышей из контрольной группы. При этом исследователи не зафиксировали скорость плавания животных в протоколе. Без этих данных нельзя исключить, что часть преимущества в лабиринте объясняется мышечной силой и физической выносливостью тренированных мышей, а не только улучшением их пространственной памяти.
Состояние ткани и клетки-предшественники
После поведенческих тестов учёные исследовали ткань гиппокампа под микроскопом. Окрашивание по Нисслю — метод, выявляющий форму нейронов и структуру их ядер, — показало различия во всех проверенных субрегионах гиппокампа: CA1, CA2, CA3 и зубчатой извилине. У тренированных мышей оказалось значительно меньше нейронов с тёмными конденсированными ядрами. Такие сморщенные ядра указывают на повреждение и дегенерацию клеток. Авторы подчеркнули, что зафиксировали сохранение нормальной формы ткани, но не проверяли маркеры апоптоза напрямую, поэтому говорить о полной остановке клеточной гибели нельзя.
С помощью антител исследователи также оценили количество клеток с белком SOX2 в зубчатой извилине. Этот транскрипционный фактор служит маркером незрелых клеток — нейральных стволовых клеток и их непосредственных предшественников. В гиппокампе бегавших мышей скоплений клеток с белком SOX2 оказалось заметно больше, чем у контрольной группы. Количество зрелых астроцитов — опорных клеток мозга, которые метят белком GFAP, — при этом не изменилось. Это подтверждает, что бег стимулировал именно пул предшественников, а не вызвал общее разрастание вспомогательной ткани.
В дизайне микроскопии остался методологический недочёт. Фотографии срезов делал специалист, знавший распределение животных по группам, и только подсчёт клеток на готовых снимках проводили вслепую. Кроме того, авторы не использовали маркеры клеточного деления и маркеры созревающих нейронов. По этой причине исследование доказывает увеличение числа клеток с маркером SOX2, но не даёт доказательств того, что эти клетки успешно разделились и превратились в работающие зрелые нейроны.
Молекулярный отклик и ограничения эксперимента
Молекулярный анализ исследователи начали с поиска в базе данных GeneCards. Они отобрали гены человека, связанные с физическими нагрузками и работой гиппокампа, нашли 48 общих мишеней и выделили десять ключевых регуляторов. Затем биологи измерили уровень матричной РНК мышиных копий этих генов в правом полушарии гиппокампа с помощью полимеразной цепной реакции в реальном времени. Из десяти проверенных генов экспрессия достоверно изменилась у восьми.
Отклик генов оказался неоднородным и не уложился в простую схему снижения воспаления. С одной стороны, в ткани тренированных мышей упала активность гена провоспалительного цитокина Tnf, снизился уровень регулятора клеточного стресса Tp53 и вырос уровень гена антиоксидантного ответа Hmox1. С другой стороны, подскочила экспрессия двух других воспалительных медиаторов — Il6 и Ptgs2, снизился ключевой антиоксидантный фактор Nfe2l2, а уровень фактора роста Igf1, защищающего нейроны, уменьшился. Уровни генов Tlr4 и Il1b вовсе не изменились.
Подобные молекулярные сдвиги отражают сложную перестройку регуляторных сетей при долгих нагрузках, но выводы работы ограничены масштабом эксперимента. В исследовании участвовали всего двенадцать самцов, а гены отбирались по базам данных человека, а не по собственному секвенированию ткани подопытных мышей. Измерения затронули только матричную РНК без анализа количества готовых белков. Работа носит фундаментальный характер и демонстрирует клеточные реакции гиппокампа мышей среднего возраста, но не содержит готовых тренировочных рецептов для человека.
