運(yùn)動(dòng)如何改善大腦的健康

凱莉?塞菲科（Kelly Servick）

http://news.siencemag.org/biology/2013/how-exercise-beefs-brain

盡管我們的肌肉輸送鐵離子，我們的細(xì)胞輸送其他的一些物質(zhì)：這些分子有助于保持一個(gè)健康的大腦。但是，科學(xué)家們一直在為解釋眾所周知的運(yùn)動(dòng)有益于心智的問(wèn)題而努力，運(yùn)動(dòng)具有從拮抗抑郁和衰老到與阿爾茨海默氏癥及帕金森氏病作斗爭(zhēng)的好處。現(xiàn)在，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)可能終于找到了運(yùn)動(dòng)和健康大腦之間的一種分子聯(lián)系。

許多運(yùn)動(dòng)研究，主要集中于我們身體的負(fù)重活動(dòng)部分。肌肉在運(yùn)動(dòng)期間，一種稱為FNDC5（內(nèi)含蛋白質(zhì)5的纖連蛋白Ⅲ型結(jié)構(gòu)域）的蛋白質(zhì)產(chǎn)量上升。這種蛋白質(zhì)的一個(gè)片段稱為鳶尾素（irisin），被切下并釋放進(jìn)入血液，它促使棕色脂肪細(xì)胞的形成，一般認(rèn)為棕色脂肪可防止一些疾病如糖尿病和肥胖癥的發(fā)生（白色脂肪是傳統(tǒng)的壞東西）。

位于波士頓的哈佛醫(yī)學(xué)院的細(xì)胞生物學(xué)家布魯斯?施皮格爾曼（Bruce Spiegelman），在研究肌肉中FNDC5的作用期間，偶然發(fā)現(xiàn)了一些令人吃驚的結(jié)果：不產(chǎn)生一種稱為PGC-1α（過(guò)氧化物酶體增殖激活受體γ共激活因子1-α）的小鼠，它們大腦的一些部分異常活躍并有微小的孔，PGC-1α是FNDC5的輔激活劑。其他研究表明FNDC5和PGC-1α不只在肌肉中有，也存在于大腦中，這二者在神經(jīng)元的發(fā)育中可能發(fā)揮作用。

施皮格爾曼和他的同事們懷疑，F(xiàn)NDC5（和它所形成的鳶尾素）具有能使運(yùn)動(dòng)有益于大腦的功能——特別是一種稱為腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（BDNF）的關(guān)鍵蛋白質(zhì)水平升高，這對(duì)維持神經(jīng)細(xì)胞的健康和形成新的神經(jīng)細(xì)胞是必不可少的。這些功能，對(duì)延緩和避免神經(jīng)系統(tǒng)疾病包括阿爾茨海默氏癥及帕金森氏病是至關(guān)重要的。而運(yùn)動(dòng)和BDNF之間的聯(lián)系，已被人們廣泛地接受。位于紐約的威爾?康乃爾醫(yī)學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家芭芭拉?亨普斯特德（Barbara Hempstead），他沒(méi)有參與這項(xiàng)新研究，他說(shuō)：“這種現(xiàn)象，在過(guò)去的十年中已被輕易地確立。”“我們只是不了解它的機(jī)制。”

為了搞清楚這種機(jī)制，施皮格爾曼和他的同事們?cè)诨钚∈蠛团囵B(yǎng)的小鼠腦細(xì)胞中進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)。首先，他們安排小鼠實(shí)施了一個(gè)30天的耐力訓(xùn)練方案。他們不必強(qiáng)迫小鼠跑動(dòng)，因?yàn)榕軇?dòng)是小鼠自然覓食行為的一部分。施皮格爾曼指出：“這是很難讓它們捧起的重量。”小鼠進(jìn)入一個(gè)正在運(yùn)轉(zhuǎn)的輪子，每晚相當(dāng)于跑步5公里。研究論文的共同作者也是哈佛醫(yī)學(xué)院的形體豐滿的克里斯蒂娜?然（Christiane Wrann）說(shuō)，輪子訓(xùn)練的小鼠和不愛(ài)活動(dòng)的更有點(diǎn)像沙發(fā)土豆的小鼠之間，除了身體差異之外，該團(tuán)隊(duì)還證明存在神經(jīng)系統(tǒng)的差異。跑動(dòng)小鼠的海馬中含有更多的FNDC5，海馬是大腦中負(fù)責(zé)學(xué)習(xí)和記憶的區(qū)域。

該團(tuán)隊(duì)接著利用在培養(yǎng)皿中發(fā)育的小鼠腦細(xì)胞，證明提升輔激活劑PGC-1α的水平，增加了FNDC5的產(chǎn)生，F(xiàn)NDC5則驅(qū)動(dòng)BNDF基因編碼更多生成神經(jīng)元的關(guān)鍵BDNF蛋白。他們今天把這些結(jié)果，在線報(bào)告于《細(xì)胞代謝》雜志。施皮格爾曼說(shuō)，如我們運(yùn)動(dòng)時(shí)在肌肉中發(fā)生的那樣，發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)元反射活動(dòng)中發(fā)生的分子過(guò)程，這是令人驚訝的。他說(shuō)：“很奇怪的是，大腦中被誘導(dǎo)的是相同的通路，正如你所知道的，運(yùn)動(dòng)時(shí)大腦沒(méi)有改變位置。”

那么，大腦是如何得到信號(hào)來(lái)產(chǎn)生BDNF的？有些人推測(cè)，運(yùn)動(dòng)期間的神經(jīng)活動(dòng)（例如像我們協(xié)調(diào)自己身體的運(yùn)動(dòng)），可以用來(lái)解釋大腦中的變化。不過(guò)，腦外的因素如肌肉細(xì)胞分泌的一些蛋白質(zhì)，也可能是驅(qū)動(dòng)的力量。為了測(cè)試所生成的鳶尾素，是否在身體的其他部位仍然能夠驅(qū)動(dòng)大腦產(chǎn)生BDNF，該團(tuán)隊(duì)把一種載有FNDC5的腺病毒注入小鼠的血液，導(dǎo)致肝臟形成和分泌鳶尾素并提高其水平。他們觀察到了像運(yùn)動(dòng)中相同的效果：海馬中的BDNF水平升高。施皮格爾曼說(shuō)，這表明鳶尾素具有通過(guò)血腦屏障的能力，或者它調(diào)節(jié)一些其他（未知）分子穿越進(jìn)入大腦。

亨普斯特德認(rèn)為，這些結(jié)果“非常令人興奮”，并認(rèn)為這項(xiàng)研究終于開(kāi)始解釋運(yùn)動(dòng)如何與BDNF以及其他所謂的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子保持大腦健康的功能有關(guān)。“我認(rèn)為，要回答的這個(gè)問(wèn)題，已經(jīng)在我們大多數(shù)人的頭腦中提出了許多年。”

瑞典卡羅琳斯卡研究所的糖尿病研究人員龐特斯?博斯特倫（Pontus Bostr?m）說(shuō)，肝臟產(chǎn)生的鳶尾素對(duì)大腦的影響是一個(gè)“非常酷和有些令人驚訝的發(fā)現(xiàn)。”不過(guò)，博斯特倫是確定肌肉組織中鳶尾素的首批科學(xué)家之一，他說(shuō)這項(xiàng)研究還沒(méi)有回答根本的問(wèn)題：由運(yùn)動(dòng)肌肉細(xì)胞產(chǎn)生的鳶尾素，經(jīng)過(guò)血流到達(dá)大腦，促進(jìn)BDNF生成的作用有多少，以及大腦產(chǎn)生了多少的鳶尾素？

盡管作者們指出其他重要的調(diào)節(jié)蛋白可能在驅(qū)動(dòng)BDNF和另外的大腦營(yíng)養(yǎng)因子中發(fā)揮作用，但他們?nèi)詫Ｗ⒂邙S尾素的有益作用，希望開(kāi)發(fā)出一種可注射狀態(tài)的FNDC5，作為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的潛在治療劑，并改善大腦的健康和延緩衰老。