基于NMDARs对突触可塑性的调控在微波辐射致学习和记忆障碍长期效应中作用研究

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目的和意义:随着微波在通讯、医疗、交通、军事和工业等方面的应用，其生物效应也愈发引起人们的重视。研究表明，脑是微波辐射最为敏感的靶部位之一，微波辐射可引起动物和人群学习和记忆功能障碍，但具体机制不明。突触可塑性是学习和记忆的神经生物基础，N-甲基-D-天门冬氨受体(N-methyl-D-aspartic acid receptors，NMDARs)对于突触可塑性的调节及长时程增强(long-term potentiation，LTP)的诱导和维持起到了不可或缺的作用。既往的研究多集中于微波辐射后即刻或近期效应与机制，关于微波辐射后长期效应与机制的研究较少，尤其是基于NMDARs对突触可塑性的调控在微波辐射致学习和记忆障碍长期效应中作用研究尚属空白。为此，本研究拟首先建立微波辐射致学习和记忆障碍和突触可塑性损伤的长期动物模型，探讨微波辐射致学习和记忆障碍、突触可塑性损伤与LTP和NMDARs改变的关系;进而复制微波辐射致突触可塑性损伤的细胞模型，采用膜片钳技术探讨微波辐射致大鼠原代海马神经元NMDARs通道电流变化;并研究微波辐射后NMDARs重要亚基NR1、NR2A和NR2B的改变及其与突触可塑性损伤和神经元胞浆内Ca2+含量之间的关系，为寻找微波辐射致脑损伤的敏感指标和防治靶点奠定基础。
　　材料与方法:(1)采用不同剂量（0、5、10和50mW/cm2）的微波辐射二级Wistar雄性大鼠，分别于辐射后急性期（6h、1d、7d和14d）和远后期(1m、3m、6m、9m、12m和18m)，采用Morris水迷宫观察大鼠的空间学习和记忆功能，运用高效液相色谱(high performance liquid chromatography，HPLC)检测大鼠海马组织中氨基酸类神经递质含量，采用光镜和透射电镜观察大鼠海马组织结构及超微结构。运用大鼠在体海马LTP记录方法检测辐射后急性期(即刻-6h)大鼠LTP改变及其与突触可塑性损伤关系;采用Western blot检测辐射后远后期(1m-18m)大鼠海马组织NMDARs重要亚基NR1、NR2A和NR2B表达及在突触可塑性损伤中作用。(2)采用0和50mW/cm2微波辐射大鼠原代海马神经元5min，于辐射后6h、1d和5d采用Vybrant CM-Dil cell-labeling方法观察神经元突起改变;于辐射后5d采用扫描电镜(scanning electron microscope，SEM)观察神经元结构改变;于辐射后即刻-6h，采用全细胞膜片钳记录NMDARs通道电流改变;采用Western blot和Real time PCR检测大鼠原代海马神经元NMDARs重要亚基NR1、NR2A和NR2B蛋白和mRNA表达并运用Fluo4-AM染色观察神经元胞浆内Ca2+改变。
　　实验结果:(1)微波辐射后急性期大鼠学习和记忆功能:辐射后6h、1d和3d，10和50mW/cm2组大鼠空间逃避潜伏期明显延长，穿越平台次数减少(P＜0.05或P＜0.01)，5mW/cm2组未见明显改变。(2)微波辐射后急性期大鼠海马组织氨基酸递质含量:5mW/cm2微波辐射后1d和7d，Gly和GABA含量升高，10和50mW/cm2微波对4种氨基酸递质于辐射后7d升高，辐射后14d降低。(3)微波辐射后急性期大鼠海马组织结构:5mW/cm2微波辐射后未见海马组织结构改变;10和50mW/cm2微波辐射后7d可导致大鼠海马组织神经元核固缩、深染，血管周间隙增宽。50mW/cm2微波辐射后7d可致突触间隙模糊，囊泡减少，突触后致密物增加;神经元胞浆内线粒体空化、嵴断裂、内质网扩张，且出现嗜神经改变。(4)微波辐射后大鼠LTP改变:10mW/cm2和50mW/cm2组辐射后6h，群峰电位(population spike，PS)幅值在高频刺激后增加程度较低(P＜0.05或P＜0.01)，5mW/cm2与0mW/cm2组比较PS值无明显差异。10mW/cm2组辐射后24h，大鼠PS幅值在高频刺激后增加程度有所恢复，但与0mW/cm2组比，仍未恢复至正常水平。(5)微波辐射后远后期大鼠学习和记忆功能:5mW/cm2组大鼠未见远后期学习和记忆功能改变;10和50mW/cm2微波辐射后1-18m可见逃避潜伏期有不同程度延长(P＜0.05或P＜0.01)，且此改变存在剂量效应关系。(6)微波辐射后远后期大鼠海马组织氨基酸递质含量:5、10和50mW/cm2微波辐射后可见大鼠远后期氨基酸递质含量以降低改变为主(P＜0.05或P＜0.01)，存在剂量效应关系。(7)微波辐射后远后期大鼠海马组织结构改变:5mW/cm2组未见明显改变，10mW/cm2组于辐射后1m和3m可见海马神经元核固缩、深染，之后呈恢复趋势;50mW/cm2组于辐射后1m和3m部分海马神经元变性改变，血管周间隙增宽，辐射后6m-18m呈恢复趋势，但辐射后18m仍可见少量神经元病变，存在剂量效应关系。10和50mW/cm2微波可致突触间隙模糊，囊泡减少，突触后致密物增加;神经元胞浆内次级溶酶体增加、线粒体空化、嵴断裂、内质网扩张及血管周间隙增宽。(8)微波辐射后大鼠海马组织中NMDARs亚基改变:辐射后1-18m，可见NR1蛋白表达升高后降低;NR2A蛋白表达升高;NR2B蛋白表达降低。(9)微波辐射后大鼠原代海马神经元结构改变:辐射后5d，可见神经元突起数量明显减少、突起长度明显变短;神经元间连接处出现断裂及神经元突起断裂。(10)微波辐射后大鼠原代海马神经元NMDARs电流改变:微波辐射后即刻至6h，可见大鼠原代海马神经元NMDARs电流密度降低。(11)微波辐射后大鼠原代海马神经元NMDARs亚基蛋白及mRNA表达:辐射后6h，NR2B蛋白表达升高，NR1、NR2A和NR2B亚基蛋白于辐射后12h表达升高;辐射后1h-12hNR1mRNA表达升高，辐射后12h，NR2A亚基mRNA表达升高，NR2B亚基mRNA于辐射后1h、12h表达升高(P＜0.01)。(12)微波辐射后大鼠原代海马神经元Ca2+含量改变:微波辐射后即刻-1h，可见大鼠原代海马神经元胞浆内Ca2+含量升高(P＜0.01)。
　　结论:(1)5mW/cm2微波辐射后急性期和远后期大鼠的学习和记忆能力及突触可塑性未见明显异常;10和50mW/cm2微波辐射可致大鼠急性期和远后期学习和记忆功能下降及突触可塑性的损伤，表现为大鼠的空间学习和记忆功能下降、海马组织氨基酸递质代谢紊乱以及组织结构及超微结构损伤，且上述改变与辐射剂量呈正相关。(2)LTP诱导障碍及NMDARs亚基改变可能是微波辐射后大鼠学习和记忆功能下降及突触可塑性损伤的原因。(3)50mW/cm2的微波辐射可致大鼠原代海马神经元结构及功能可塑性损伤，表现为突起数量减少、长度变短、神经元根部突起和连接处断裂;大鼠原代海马神经元NMDARs通道活性降低。(4)NMDARs参与了微波辐射致大鼠原代海马神经元突触可塑性损伤的病理生理过程;神经元胞浆内Ca2+浓度升高可能是微波辐射损伤的重要因素之一。

著录项

作者
王惠;
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作者单位

解放军军事医学科学院;

中国人民解放军军事医学科学院;

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授予单位解放军军事医学科学院;中国人民解放军军事医学科学院;
学科病理学与病理生理学
授予学位博士
导师姓名彭瑞云;
年度 2015
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类 R749.02;
关键词
学习功能障碍; 记忆功能障碍; 突触可塑性; N-甲基-D-天门冬氨受体; 微波辐射; 长期效应;

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