在中國科學院院士蘇國輝的支援下，暨南大學粵港澳中樞神經再生研究院副研究員張力團隊聯合上海市精神衛生中心教授袁逖飛團隊，闡述了運動促進戒毒後神經康復的分子—細胞環路機制。相關研究近日以《運動改善可卡因導致的皮層突觸缺陷》為題發表於《分子精神病學》。
藥物成癮伴隨皮層突觸重塑與功能改變，導致學習與記憶功能下降。張力團隊利用穿顱活體雙光子成像技術，動態刻繪了可卡因暴露後小鼠初級運動皮層第五層錐體神經元頂樹突棘重塑現象；發現可卡因引起樹突棘形成降低，從而介導了運動學習的損害。
研究人員進一步採用平板跑步機有氧訓練模式，發現一星期的運動訓練可以有效增強皮層錐體神經元樹突棘結構重塑和突觸可塑性，逆轉樹突棘丟失現象，並提升學習能力。
為明確相關神經環路機制，研究者透過活體雙光子鈣成像技術發現，持續的可卡因暴露引起小鼠初級運動皮層第五層錐體神經元頂樹突棘新生率顯著下降，伴隨興奮性突觸傳遞的增強，以及突觸前生長激素抑制素陽性中間神經元（SST-IN）的過度活動，最終導致區域性興奮—抑制平衡（E/I balance）的失衡。這些過程參與到動物認知行為損害過程中（如運動學習能力的下降）。研究人員透過在藥物戒斷後，連續給予7天、每天1小時的平板跑步機訓練，發現運動可以有效恢復正常的興奮—抑制平衡、重塑突觸傳遞，從而改善樹突棘發生，並顯著提升動物的運動學習能力。
為進一步解析運動引起皮層突觸功能重塑的分子機制，研究人員探索了皮層中不同分子訊號通路的變化，發現運動可以啟用皮層內雷帕黴素靶蛋白（mTOR）訊號通路。透過藥理學干預或DOX-ON介導的基因表達敲減手段抑制mTOR通路，或阻斷新生蛋白合成（de novo protein synthesis）通路等手段，則可以消除運動引起的皮層突觸功能重塑。這些證據提示，運動透過啟用皮層神經元內mTOR通路，調控突觸活動，增加新生突觸，並提升學習能力。
該研究揭示了成癮藥物導致認知損害的樹突結構重塑與突觸功能改變機制，進一步解析了運動促進認知功能康復的細胞與分子機理，為運動與腦健康領域提供更多理論支撐。針對運動皮層突觸功能與神經活動的非侵入測量，有望為運動訓練的腦功能改善提供客觀生理指標；靶向運動調控腦內分子訊號通路的藥物開發研究，有助於進一步最佳化運動對腦功能的調控效力。
據悉，該實驗工作主要由暨南大學神經生物學專業碩士畢業生程童完成，暨南大學黃曉丹博士，博士生胡雪菲、生命科學技術學院本科生王斯祺等同學亦參與了課題工作。
相關論文資訊：https://www.nature.com/articles/s41380-021-01336-2
