极低频电磁场（ELF-EMF）对成年大鼠海马区神经可塑性的剂量依赖性影响

《Neuroscience Letters》：Dose-dependent impact of extremely low-frequency electromagnetic field (ELF-EMF) on the neuroplasticity in the hippocampus of adult rats

本研究探讨了50Hz超低频电磁场（ELF-EMF）不同强度（1mT和7mT）对大鼠海马体神经可塑性相关基因表达的影响。结果显示，低强度ELF-EMF促进BDNF、TrkB等神经发生及突触可塑性相关基因表达，而高强度ELF-EMF抑制这些基因表达，表明磁场强度通过调控应激反应影响脑功能适应性。

　　

马切伊·克利米乌克（Maciej Klimiuk）|汉娜·克莱特基维奇（Hanna Kletkiewicz）|乔安娜·维斯科夫斯卡（Joanna Wyszkowska）|卡罗尔·多克拉德尼（Karol Dokladny）|尤斯蒂娜·罗加尔斯卡（Justyna Rogalska）

托伦尼古拉乌斯·哥白尼大学生物与兽医科学学院动物生理学与神经生物学系，波兰87-100

摘要

极低频电磁场（ELF-EMF）疗法因其在治疗神经退行性疾病方面的潜在益处而受到关注。然而，导致ELF-EMF可能产生保护作用的分子机制仍不明确。我们之前的研究表明，ELF-EMF暴露可以建立新的“应激反应设定点”，其效果取决于场强。应激激素已被证明可以调节海马体的功能和可塑性。因此，本研究旨在评估ELF-EMF暴露如何影响与海马体可塑性相关的转录本表达，包括与神经发生（BDNF、TrkB、GAP43）、突触活动（PSD95、SYN1）和细胞存活（Bcl-2、Bcl-xL、Bak1）相关的基因。

成年大鼠在1 mT和7 mT的场强下分别暴露于ELF-EMF中，每次暴露持续1小时，每天一次，每个周期之间有3周的休息时间，共三个7天周期。每次暴露后选取一部分动物并取出其海马体。通过实时定量聚合酶链反应（real-time quantitative polymerase chain reaction）测量神经/突触基因及抗/促存活因子的相对表达。研究结果表明，ELF-EMF暴露会调节这些基因和因子的mRNA表达。变化的方向和动态取决于ELF-EMF的强度和暴露次数。“低强度”（1 mT）的ELF-EMF增加了促神经发生因子的表达，而“高强度”（7 mT）的ELF-EMF则减少了这些因子的表达。总之，“低强度”ELF-EMF通过引发轻微的应激反应来增强适应性过程（如神经可塑性），而“高强度”暴露则通过诱发严重的应激破坏了大脑功能和稳态。我们的发现表明，ELF-EMF的总体效应取决于应激反应与长期大脑可塑性之间的复杂相互作用。

引言

随着城市化进程的加快和电力网络的发展，生物体暴露于50/60 Hz极低频电磁场（ELF-EMF）的情况正在增加。ELF-EMF对健康和大脑功能的影响仍存在争议且尚未得到充分研究[1]、[2]。先前的研究结果相互矛盾，既有认为其有害的，也有认为其有益的[3]、[4]、[5]。然而，ELF-EMF作为具有治疗作用的应激源的潜力越来越受到关注[2]、[6]、[7]。 越来越多的证据表明，ELF-EMF可以刺激神经可塑性过程[8]、[9]，并可能成为治疗与年龄相关的神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）的安全方法[10]、[11]。然而，ELF-EMF所介导的保护机制在很大程度上仍未被探索[2]。 我们之前的研究展示了ELF-EMF（50 Hz，1 mT或7 mT，每天1小时，持续一周）对下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴的激素效应[12]。数据表明，ELF-EMF暴露可以建立新的“应激反应设定点”，这些过程的方向和动态取决于场强。重复暴露于1 mT的ELF-EMF（定义为轻微的应激源，即引发短暂且适应性强的神经内分泌应激反应）仅导致大鼠大脑中的应激激素水平短暂升高。相比之下，暴露于7 mT的ELF-EMF（定义为严重的应激源，即引发持续且可能不适应的应激反应系统）则导致应激激素水平持续升高[12]。应激激素（主要是皮质酮）可以调节海马体的可塑性和功能[13]、[14]、[15]。先前的研究表明，反复暴露于ELF-EMF可以调节神经营养因子相关的信号通路，包括脑源性神经营养因子（BDNF）。因此，生物体对后续应激源和神经系统相关疾病的敏感性可能会发生变化。应激激素是海马体中BDNF活性的主要调节因子[16]、[17]。BDNF驱动多种影响神经发生和神经元存活的信号通路，其作用高度依赖于受体的可用性。BDNF的主要受体是原肌球蛋白受体激酶B（TrkB），它调节海马体的神经可塑性[18]。BDNF调节的通路包括对神经可塑性至关重要的蛋白质，这些蛋白质也是该过程的可靠标志物。其中，生长相关蛋白43（GAP43）在神经元生长锥中表达，可用作神经元生长和再生的标志物[19]。此外，BDNF还促进突触可塑性，这体现在突触素I（SYN1）[20]和突触后密度蛋白95（PSD95）[21]的mRNA表达增加。

实验使用了72只3至6个月大的雄性Wistar大鼠，平均体重在300至500克之间。这些大鼠在托伦尼古拉乌斯·哥白尼大学生物与兽医科学学院的动物房内饲养。动物数量遵循3R原则（动物福利、替代方法和减少痛苦），符合欧盟指令2010/63/EU的要求。大鼠被安置在聚丙烯笼子中，实行12:12的明暗周期（早上7点开灯），处于标准条件下（温度：

ELF-EMF暴露对与神经发生相关的蛋白质mRNA转录本（BDNF、TrkB、GAP43）相对表达的影响

BDNF（图2a）：ELF-EMF的强度、暴露次数及其相互作用显著影响了BDNF mRNA转录本的相对表达（P < 0.001；表2A）。在第一次（E1）和第二次（E2）暴露于1 mT的ELF后，BDNF mRNA的水平与对照组没有显著差异。然而，在第三次暴露（E3）后，BDNF mRNA的相对表达显著增加（P < 0.001）。

讨论

本研究评估了反复暴露于极低频电磁场对与海马体可塑性相关的转录本表达的影响。我们的发现表明，ELF-EMF可以调节大鼠海马体的神经可塑性，这种反应取决于磁通密度和暴露次数。 1 mT的ELF-EMF增加了与神经发生（BDNF、TrkB、GAP43）和突触可塑性（SYN1、PSD95）相关的因子的mRNA水平。

结论

本研究的发现表明，ELF-EMF可以调节神经网络的多个方面。“低强度”（1 mT）的ELF-EMF暴露增加了促神经发生因子的表达。然而，“高强度”（7 mT）的ELF-EMF减少了这些因子的表达，且没有明显的有益效果。因此，引发轻微应激反应的“低强度”ELF-EMF暴露似乎增强了可能促进神经可塑性的适应性过程。

伦理声明

本研究方案已获得波兰比德戈什奇地方动物研究伦理委员会的审查和批准；批准编号为3/2018。

重要性声明

研究表明，ELF-EMF的强度不同地影响海马体的可塑性，从而将应激反应与大脑功能的适应性或破坏性效应联系起来。

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可在Figshare存储库中找到（Klimiuk, Maciej; Kletkiewicz, Hanna (2024)。《反复暴露于极低频电磁场（50 Hz）后与海马体可塑性相关的mRNA转录本的相对表达》。数据集：https://doi.org/10.6084/m9.figshare.27693243.v1

资金来源

本研究得到了波兰国家科学中心（Grant No. 2017/25/B/NZ7/00638）和尼古拉乌斯·哥白尼大学（Grant No. 2413, IDUB）的支持。

在撰写过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备手稿的初期阶段，作者使用了OpenAI的ChatGPT（GPT-3.5）来协助校对和语言润色。使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。

作者贡献声明

马切伊·克利米乌克（Maciej Klimiuk）：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论、资金获取、数据管理。 汉娜·克莱特基维奇（Hanna Kletkiewicz）：方法论、研究、形式分析、数据管理。 乔安娜·维斯科夫斯卡（Joanna Wyszkowska）：写作——审稿与编辑、方法论、概念化。 卡罗尔·多克拉德尼（Karol Dokladny）：写作——审稿与编辑、初稿撰写、监督。 尤斯蒂娜·罗加尔斯卡（Justyna Rogalska）：写作——审稿与编辑、初稿撰写、监督、项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者在准备手稿的初期阶段使用了OpenAI的ChatGPT（GPT-3.5）来协助校对和语言润色。随后，作者对文章进行了修订。

术语表

Bak1

Bcl-2同源拮抗杀伤因子

Bcl-2

B细胞淋巴瘤2

Bcl-xL

B细胞淋巴瘤-超大型

BDNF

脑源性神经营养因子

ELF-EMF

极低频电磁场

GAP43

生长相关蛋白43

GAPDH

甘油醛-3-磷酸脱氢酶

PSD95

突触后密度蛋白95

SYN1

突触素I

TrkB

原肌球蛋白受体激酶B