如何高效开展运动功能相关研究？

都说“生命在于运动”，

那运动究竟对人体有哪些好处？

如何开展运动相关课题研究？

运动有哪些好处？

适当的运动不只是简单意义上的强身健体，也可认为它是一种强大的基因调节剂。它能够引起大脑结构和功能的改变，对认知和健康都有巨大的好处，例如：

01

运动过程中，组织间的相互交流可以预防代谢性疾病、癌症、视网膜退化和记忆力丧失。（Mark A. Febbraio，Nature Review. 2017）

02

跑步机运动可以减轻小鼠压力应激引起的焦虑行为和桶状皮层树突棘的丢失。（K Chen et al.，Transl Psychiatry. 2017）

03

跑步机运动可激活mTOR途径，促进小鼠皮质树突棘的形成和运动学习。（Chen et al., Sci. Adv. 2019）

许多证据表明，体育锻炼能够影响大脑可塑性，影响人的认知和幸福感。由于运动的作用机制非常复杂，具体神经生物学机制仍未明确。

运动功能障碍的相关研究

神经损伤引起的运动功能障碍如Parkinson’s disease，PD、Huntington’s disease ，HD、Amyotrophic Laternal Sclerosis(ALS)、小脑共济失调以及颅脑或脊髓损伤等，是目前神经科学研究的重要部分。

PD研究者都知道，丘脑底核的深部脑刺激(DBS)是帕金森病的一种对症治疗，但由于严格的资格标准，仅对少数患者有益。近期，Sébastien Valverde等人在Nature communication上发表的文章中，阐明了支持深部脑刺激效率的关键机制，找到了低侵入性治疗的新靶点。

在他们的实验中，发现进行丘脑底刺激（DBS）时，可使运动皮质锥体神经元的活动正常化，同时会激活SST中间神经元，并抑制PV中间神经元。在帕金森小鼠模型中，通过光遗传直接激活运动皮质的SST间神经元，可以重现这些效应，并减轻帕金森小鼠的运动症状。通过数学建模分析显示，由DBS或激活SST中间神经元来减少锥体神经元的活动，可以恢复运动皮质的信息处理能力。因此，激活运动皮质SST中间神经元，可作为一种侵袭性较低的替代性治疗方案。

DBS激活SST中间神经元（Sébastien Valverde et al., Nature Communication. 2020 ）

M1 SST间神经元的光激活可以缓解帕金森症状。（Sébastien Valverde et al., Nature Communication. 2020 ）

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运动相关环路研究

产品解决方案

1

动物模型构建解决方案（转基因动物或通过药物、病毒，化学、物理等方式造模）

不同的运动障碍疾病对应不同动物模型，且许多疾病通常与多个模型有关，构建稳定表型的实验动物模型是探讨疾病发生机制的关键。

动物表型是否与人的相关疾病表型相似，是否具有相同的神经生物学基础，治疗方式能否在人身上取得相同的结果，这都取决于前期的实验动物模型。针对动物模型的难题我们梳理了相关的文献和对应的设备。

2

行为学评估解决方案（评估动物模型或进行物理干预）

行为学评估需尽量遵从有效性（Validity）、可靠性（Reliability）、敏感性（Sensitivity）以及实用性（Utility）这四个原则。我们回顾了可用来评估小鼠运动功能的行为测试方法，并根据被评估的运动功能的具体方面来对它们进行了分类：评估精细运动技能和握力的测试、步态和肢体间协调测试以及神经缺陷评分。

3

活体水平调控与检测解决方案（对动物目标脑区进行功能调控和信号检测，探究目标脑区调控机制）

与体外研究相比，活体层面的研究能更真实、直接地反映神经系统在各种生理、病理过程中，对外界刺激的响应。因而能够为脑神经生理、病理过程物质基础的探索，提供最为直接的信息。

我们回顾并总结了近些年相关研究的技术方法，例如使用光遗传、在体电信号记录、在光纤记录、体钙成像，以及病毒介导的解剖学示踪技术来系统的研究运动功能相关的各脑区，探究背后的神经编码机制。

4

组织染色成像解决方案（标记特定神经元，确定病毒表达位置，从客观层面论证活体水平获得的结果）

可提供各种切片染色的方法和技巧以及对应的设备。

参考文献

1.Febbraio MA. Exercise metabolism in 2016: Health benefits of exercise - more than meets the eye!. Nat Rev Endocrinol. 2017;13(2):72-74. doi:10.1038/nrendo.2016.218

2.Chen K, Zhang L, Tan M, et al. Treadmill exercise suppressed stress-induced dendritic spine elimination in mouse barrel cortex and improved working memory via BDNF/TrkB pathway. Transl Psychiatry. 2017;7(3):e1069. Published 2017 Mar 21. doi:10.1038/tp.2017.41

3.Chen K, Zheng Y, Wei JA, et al. Exercise training improves motor skill learning via selective activation of mTOR. Sci Adv. 2019;5(7):eaaw1888. Published 2019 Jul 3. doi:10.1126/sciadv.aaw1888

4.Valverde S, Vandecasteele M, Piette C, et al. Deep brain stimulation-guided optogenetic rescue of parkinsonian symptoms. Nat Commun. 2020;11(1):2388. Published 2020 May 13. doi:10.1038/s41467-020-16046-6

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