《Frontiers in Sports and Active Living》：Exercise training promotes neurogenesis in the adult hippocampus with a particular focus on cell cycle regulation
编辑推荐：
成年神经发生主要局限于哺乳动物脑内的两个神经发生区域：侧脑室的室管膜下区（SVZ）和海马齿状回（DG）的颗粒下区（SGZ）。海马作为参与学习和记忆过程的关键脑结构，其持续产生的新神经元有助于增强突触可塑性（synaptic plasticity）。越来越多的证
成年神经发生主要局限于哺乳动物脑内的两个神经发生区域：侧脑室的室管膜下区（SVZ）和海马齿状回（DG）的颗粒下区（SGZ）。海马作为参与学习和记忆过程的关键脑结构，其持续产生的新神经元有助于增强突触可塑性（synaptic plasticity）。越来越多的证据表明，海马神经发生受损与多种神经精神疾病密切相关，包括阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）、癫痫和创伤性脑损伤。尽管成年神经发生的精确分子和细胞机制尚未完全阐明，但过去数十年的广泛研究已鉴定出众多内源性、外源性和环境因素可调节这一过程。值得注意的是，运动训练作为一种关键的外源性刺激，已被证明可通过影响神经化学环境和新生成神经元的功能整合来促进成年海马神经发生。本综述旨在总结细胞周期动态与成年海马神经发生之间的关系，特别强调体力运动如何调控细胞周期以激活和促进DG中神经干细胞（NSCs）的增殖，从而促进神经前体细胞的分化和谱系进展。深入理解运动增强成年海马神经发生的调控机制，可能为神经和精神疾病的防治策略开发提供新见解。
1 引言
自Altman于1965年首次提出成年脑内存在新神经元以来，众多研究致力于探究成年神经发生（adult neurogenesis）的细胞和分子机制。该过程起源于一群具有星形胶质细胞特性的放射状胶质样前体细胞（type 1细胞），表达神经干细胞标志物。成年神经发生主要局限于脑内两个神经发生区域——侧脑室的室管膜下区（SVZ）和海马齿状回（DG）的颗粒下区（SGZ）。成年神经发生是一个高度动态的生物学过程，可受到压力和衰老的负向影响，同时受到体力活动（如跑步和游泳）、丰富环境刺激以及认知学习经验的正向调节。多种神经系统疾病，包括脑损伤、神经退行性疾病（如阿尔茨海默病（AD）和帕金森病（Parkinson's disease)）以及自然衰老过程，常伴随神经发生能力的下降。作为一种非侵入性、低风险且具有显著神经发生益处的干预手段，运动训练因其潜在治疗应用而日益受到神经科学家的关注。
众多研究表明，自主运动训练是成年神经发生最有效的刺激因素之一。如前所述，运动可在两个经典神经发生龛位——海马SGZ和SVZ中诱导神经发生活性，但其潜在机制具有区域特异性：在SVZ中，乳酸（lactate）介导的羟基羧酸受体1（hydroxycarboxylic acid receptor 1, HCA1）激活已被鉴定为运动诱导神经发生的关键驱动因素，而该乳酸-HCA1轴在海马SGZ中尚未被证实。本综述首先总结细胞周期动态与成年海马神经发生之间的关系，随后重点论述运动训练调节神经发生谱系进展各阶段以促进成年神经发生的机制。
2 细胞周期动态与成年海马神经发生的研究进展
成年海马DG中的神经发生是一个多阶段发育过程。大多数DG中的NSCs在正常条件下处于静止状态，很少进入细胞周期。一旦被激活，这些静止态NSCs转变为激活状态并重新进入细胞周期。激活的NSCs随后通过不对称分裂产生中间前体细胞（type 2）和神经母细胞（type 3），依次经过这些阶段最终分化为未成熟神经元和有丝分裂后成熟神经元。源于SGZ的新生成神经元迁移至DG内颗粒细胞层，并完全分化为谷氨酸能兴奋性齿状回颗粒细胞。
在这些阶段中，NSCs从静止态向激活态的转变被认为是成年海马神经发生中最关键的步骤。研究表明，细胞周期依赖性激酶抑制因子1（cyclin-dependent kinase inhibitor 1, p21
Cip1/Waf1）在调控NSCs从静止到激活的转变中发挥关键作用。在生理条件下，细胞周期抑制因子p21使NSCs维持于细胞周期的G0期，从而保留海马DG中的NSC库。在脑损伤应激下，p21缺失的NSCs退出静止状态（G0→G1期），通过不对称分裂分化为有丝分裂后神经元，替代因损伤丢失的神经元。然而，NSCs的持续激活和增殖最终可能导致NSC库的耗竭。
近年来，神经生物学家利用表达细胞周期蛋白的转基因小鼠模型，确凿证明异常细胞周期调控是影响成年海马神经发生的关键因素。基于这些发现，"细胞周期长度假说"被提出。该假说认为，关键G1期调控因子——包括细胞周期依赖性激酶6（cyclin-dependent kinase 6, Cdk6）和细胞周期依赖性激酶抑制因子p21——的失调改变了G1期向S期转变的动力学，从而协同调节成年海马中的神经前体细胞增殖、细胞命运决定和神经元分化。研究人员发现，转录调控因子FOXG1可拮抗p21介导的细胞周期阻滞，导致NSCs细胞周期缩短和神经前体细胞库扩增，此机制有助于缓解AD中的成年神经发生障碍。这些发现共同表明，成年神经干细胞的激活和命运决定受到特定细胞周期蛋白表达和功能的严格调控。
3 运动训练调控成年海马神经发生的研究现状
近年众多研究表明，运动训练可增强海马DG的细胞增殖，并显著增加啮齿类模型中新神经元的数量。越来越多的证据显示，体力活动不仅刺激成年海马神经发生，还促进这些新形成神经元向现有神经回路的功能整合，从而增强突触可塑性。这些发现得到大鼠学习记忆性能改善和长期增强作用（long-term potentiation, LTP）显著增加的支撑。此外，运动训练可延缓或部分缓解神经退行性疾病的进展，恢复HIV感染小鼠的神经发生能力，并改善AD后的认知和学习缺陷。运动还能有效促进成年海马神经发生，缓解与多种神经和精神疾病相关的行为异常。
4 运动训练调控细胞周期促进成年海马神经发生的研究进展
4.1 运动训练增强NSCs的激活
成年海马神经发生龛位中的新神经元由位于DG的NSCs产生。部分NSCs具有在静止态和有丝分裂活跃态之间转换的能力。运动训练已被证明可激活静止态NSC群体。研究人员利用表达巢蛋白（nestin）的转基因小鼠，给予胸腺嘧啶类似物5-乙炔基-2'-脱氧尿苷（5-ethynyl-2'-deoxyuridine, EdU），观察到自主运动训练期间DG颗粒细胞的持续激活诱导了SGZ中静止态NSCs的激活，最终导致新神经元的生成。
4.2 运动训练增强神经前体细胞的增殖
如前所述，神经前体细胞库的扩增与成年海马神经发生密切相关。近期研究证实，自主跑轮可选择性缩短G1-S期（从12.9小时缩短至10.2小时）和整个细胞周期（G1-S-G2-M）的持续时间（从24.9小时缩短至22.0小时），从而刺激海马DG中神经前体细胞的增殖。研究表明，运动训练不仅可调控细胞周期动力学并在生理条件下支持海马神经发生，还能在细胞周期调控蛋白遗传缺陷的小鼠中发挥治疗效益——如抗增殖蛋白BTG1缺失的小鼠，通过促进源于NSCs的新神经元的增殖、分化和整合，挽救包括模式分离损伤在内的行为缺陷。值得注意的是，由于细胞周期抑制基因Btg1的出生后缺失，这些敲除小鼠的NSCs表现出过度增殖，导致DG中NSC库的快速耗竭和神经发生障碍。然而，12天运动训练方案显著增强了这些p21敲除小鼠DG中神经前体细胞的增殖和长期神经发生。该效应主要通过激活静止态NSCs和缩短NSCs及中间前体细胞中的G1-S期实现，使其快速通过G1-S限制点并完成增殖过程。利用无法表现细胞周期阻滞的p21敲除小鼠，研究人员揭示运动训练显著增强创伤性脑损伤后的神经再生。
4.3 运动训练增强齿状回颗粒神经元的分化和存活
除促进神经前体细胞增殖外，运动训练还可增强新形成神经元的分化和存活。研究团队调查了运动训练对年轻和衰老小鼠神经元分化的影响，采用成熟神经元标志物NeuN和增殖标志物BrdU评估新形成的DG神经元。结果显示，尽管衰老小鼠新神经元的比例相较于年轻小鼠显著降低，但接受运动训练的年轻和衰老小鼠均表现出比同年龄静坐对照组显著更高的新神经元比例。另一项研究在BrdU给药六天后分析大鼠，报道运动训练组中BrdU和双皮质素（doublecortin, DCX）标记细胞的比例显著增加。BrdU阳性细胞表达NeuN或DCX的比例升高可能反映神经元分化增强、新生神经元存活改善，或两种机制的共同作用。这些观察提示运动训练有助于成年海马中新形成神经元的分化和成熟。
4.4 运动训练增强新形成神经元的发育和成熟
除增加新形成神经元的数量外，运动训练还影响其形态学发育，特别促进轴突和树突的生长。在另一项研究中，利用表达荧光蛋白的逆转录病毒标记分裂的神经干/前体细胞，对运动和非运动小鼠的神经元形态进行比较分析。与静坐对照相比，运动小鼠新形成神经元表现出增加的树突长度和棘突密度。自主运动可加速新神经元的形态成熟，这一观察已被其他采用类似逆转录病毒标记技术的研究证实。
4.5 运动训练增强新生神经元向海马神经回路的功能整合
新生神经元必须与现有海马神经回路整合以发挥其功能作用。因此，评估这些新形成海马神经元的突触连接性对于阐明成年神经发生的功能意义至关重要。利用病毒介导的单突触逆行追踪技术，研究人员证明成年DG神经元最初建立局部连接，随后形成远距离的突触前输入。尽管运动训练不能显著改变投射到新神经元的突触前神经元数量，但它可能通过影响新成熟神经元向回路的整合来调节兴奋性突触前输入的特性。换言之，运动训练显著影响成年生成神经元向海马脑回路的整合。
5 运动诱导成年海马神经发生的分子机制
通过候选基因方法和全基因组基因表达分析，神经生物学家已鉴定出体力运动可诱导动物脑中多种生长因子上调，其中脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor, BDNF）是关键介导因子。运动训练被认为至少部分通过神经营养因子BDNF的调控促进成年神经发生。体内研究表明，编码BDNF高亲和力受体的TrkB基因缺失可削弱神经发生并损害LTP的增强。相反，模拟运动生化效应的脑内BDNF给药可增强成年海马神经发生。
体力运动还可诱导其他多种生长因子的表达，包括：调节细胞增殖、存活和分化的神经生长因子（nerve growth factor, NGF）；调节NF-kB表达的成纤维细胞生长因子-2（fibroblast growth factor-2, FGF-2）；可能发挥抗凋亡作用的胰岛素样生长因子1（insulin-like growth factor 1, IGF-1）；以及促进脑内血管生成的血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）。此外，多种激素和外周信号分子已被鉴定为体力活动诱导神经发生效应的潜在介导因子，包括脂联素、瘦素、血管紧张素II、肾上腺素、活性氧、AMP激活蛋白激酶（AMP-activated protein kinase, AMPK）、过氧化物酶体增殖物激活受体（peroxisome proliferator-activated receptor, PPAR）、PGC-1α、睫状神经营养因子（ciliary neurotrophic factor, CNTF）和促炎细胞因子。鉴于这些生长因子和营养因子可由多种组织类型和各类细胞群体产生，其精确的体内来源尚不完全清楚。此外，它们的功能作用可能因时间背景和特定细胞环境而异。因此，将这些因子直接给药作为针对成年海马的神经系统疾病的潜在治疗策略仍是一个复杂且具有挑战性的课题。
另一项研究表明，骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein, BMP）作为成年神经发生的负调控因子，在运动对海马神经发生和海马依赖性认知功能（包括学习和记忆）的影响中发挥重要作用。运动训练通过降低海马中BMP水平增强海马神经发生并改善海马相关认知和记忆障碍。相反，BMP4过表达抑制运动诱导的细胞增殖和DCX阳性未成熟神经元的产生。这一观察与既往发现一致，即海马中BMP/BMPR1A信号通路的激活有助于维持NSCs处于静止状态。运动训练还可能通过调控关键Wnt信号抑制因子——分泌型卷曲相关蛋白3（secreted frizzled-related protein 3, Sfrp3）——刺激海马前体细胞的增殖。Sfrp3是由局部DG成熟颗粒神经元分泌的抑制性龛位因子，作为Wnt拮抗剂在成年DG颗粒神经元中高表达，调控成年海马神经发生的多个阶段。Sfrp3的基因缺失已被证明可激活静止态放射状NSCs，增强成年小鼠海马中新形成神经元的成熟、树突发育和棘突形成。此外，Sfrp3的下调对于成年神经前体细胞的活动依赖性增殖和新形成神经元的成熟是必需的。在探究运动诱导海马神经发生的细胞机制时，研究人员利用Csf1r-GFP转基因小鼠发现，运动诱导的神经前体细胞活性增加可由小胶质细胞介导。通过体内外实验揭示，内源性小胶质细胞通过CX3CL1-CX3CR1信号轴对海马齿状回神经前体细胞的激活发挥双向调控作用。
无偏基因表达谱分析是全面研究运动训练诱导海马神经发生分子机制的有力实验手段。早期研究利用组织芯片技术考察运动训练对海马DG区域基因表达变化的影响。研究人员采用5,139个基因探针进行高密度寡核苷酸芯片分析，鉴定大鼠三周运动训练后海马中的差异表达转录本。结果显示，与静坐对照组相比，运动组88个基因表现出超过1.5倍的表达变化，其中44个基因上调、44个下调。通路分析进一步揭示这些差异表达基因与神经元活性、突触结构和神经可塑性相关。在探索运动与衰老关系的研究中，已证明自主体力活动可减轻衰老对成年海马神经发生的不利影响。为阐明运动训练对衰老海马神经发生的影响及机制，研究人员采用高灵敏度Illumina珠芯片评估16月龄衰老小鼠自主跑轮或静坐后海马中超过24,000个基因的表达水平。结果表明，上调基因主要参与突触可塑性和线粒体功能，而下调基因与氧化应激和脂质代谢通路相关。
为解答有氧和非有氧体能训练如何差异调节脑结构和功能，研究人员开展了基础性研究，考察这两种运动范式对海马依赖性学习和记忆以及血清BDNF水平的影响。结果显示两种模式均促进成年海马神经发生，但急性高强度运动引发显著更强的神经发生和认知增强，表明运动强度而非运动方式本身是神经生物学结果的主要决定因素。与此解释一致，研究表明高强度间歇训练（high-intensity interval training, HIIT）比中等强度持续训练更强有力地增强海马神经发生。此外，研究人员采用功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）表征运动诱导的衰老脑功能可塑性，发现持续有氧训练与高级认知网络中功能连接的年龄相关性衰退减缓相关。这些发现共同强调，尽管体力运动广泛有益于脑健康，但涉及更高强度和更长时程的方案在运动诱导成年海马神经发生和相关结构可塑性方面赋予更显著的增强效应。
6 结论
总之，成年海马神经发生是一个持续的生物学过程。运动训练已被证明可通过多种机制促进DG中的海马神经发生，包括调节NSCs的静止与激活、增强神经前体细胞的增殖、促进新生神经元的发育和成熟，以及将这些神经元整合入现有海马神经回路。相应地，运动已被证明可改善脑损伤动物模型以及获得性脑损伤临床人群中的认知和记忆缺陷。因此，运动训练对神经系统损伤患者的临床管理和康复具有重要潜力。此外，它通过减少药物相关副作用、提高整体生活质量和支持功能恢复，在治疗神经精神疾病患者方面具有相当价值。
