昼夜节律紊乱对新物体识别记忆、运动能力、疼痛阈值、直立行为以及大鼠海马BDNF和GSK-3β水平的性别依赖性影响

《Behavioural Neurology》：Sex-Dependent Effects of Circadian Rhythm Disruptions on Novel Object Recognition Memory, Locomotion, Pain Threshold, Rearing Behavior, and BDNF and GSK-3β Hippocampal Levels in Rats

　　

证据表明，持续光照或持续黑暗会显著损害认知功能并影响情绪状态。本研究探讨了昼夜节律紊乱（circadian rhythm disruptions, CRDs）对雌雄大鼠海马的运动能力、直立行为、疼痛阈值、新物体识别记忆以及脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor, BDNF）和糖原合成酶激酶-3_β（glycogen synthase kinase-3 beta, GSK-3_β）表达水平的影响。研究人员采用持续光照（48?h）和持续黑暗（48?h）交替的方案，分别持续8天（短期）、16天（中期）或24天（长期）来诱导CRD。结果显示，所有CRD方案均增加了雄性大鼠的运动能力，而雌性大鼠仅在长期CRD后运动能力增加。长期CRD仅增加了雌性大鼠的直立行为，而雄性大鼠仅在中期CRD后直立行为减少。短期和中期CRD降低了雄性大鼠的疼痛阈值，而雌性大鼠仅在中期CRD后疼痛阈值降低。所有CRD方案均损害了两种性别的新物体识别记忆。所有CRD方案均下调了雌性大鼠的BDNF，而雄性大鼠在短期CRD后无变化。两种性别在长期CRD后GSK-3_β均升高。Spearman相关检验表明，BDNF功能可能与两种性别某些行为功能的变化相关；然而，GSK-3_β功能可能仅与雌性大鼠某些行为变化相关。总之，研究人员展示了CRD对运动能力、直立行为和疼痛阈值的影响存在性别差异。此外，GSK-3_β可能在CRD诱导的行为变化调节中表现出性别依赖性作用。

昼夜节律紊乱（circadian rhythm disruptions, CRDs）对新物体识别记忆、运动能力、疼痛阈值、直立行为及海马脑源性神经营养因子（BDNF）和糖原合成酶激酶-3_β（GSK-3_β）水平的性别依赖性影响

**研究背景与问题**
昼夜节律是生物体约24小时周期性的内在振荡，与地球自转和光暗周期相关。哺乳动物的昼夜节律由下丘脑视交叉上核（suprachiasmatic nucleus, SCN）的主时钟及外周时钟共同调控。已有证据表明，昼夜节律紊乱（CRD）会显著损害认知功能、影响情绪状态，并与运动行为改变、抑郁样和焦虑样表型增加以及记忆缺陷相关。然而，CRD对行为影响的潜在分子机制尚不完全清楚，尤其是性别差异的作用。脑源性神经营养因子（BDNF）是中枢神经系统中关键的神经营养因子，参与认知、情绪调节和神经可塑性，其表达具有昼夜节律性。糖原合成酶激酶-3_β（GSK-3_β）是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，参与能量代谢、神经发育等过程，其异常调节与多种神经精神疾病相关，但尚无研究探讨CRD模型中GSK-3_β的变化。因此，本研究旨在评估CRD对雌雄大鼠行为表现及海马BDNF和GSK-3_β表达水平的影响，并揭示可能存在的性别差异。

**研究内容与结论**
研究人员采用交替48小时恒定光照和48小时恒定黑暗的方案，分别持续8天（短期）、16天（中期）或24天（长期）诱导CRD，以48只Wistar大鼠（雌雄各半，来自伊朗ACECR药用植物研究所认知神经科学实验室）为对象，通过旷场实验、热板实验和新物体识别测试（NORT）评估运动能力、直立行为、疼痛阈值和识别记忆，并通过实时荧光定量PCR检测海马BDNF和GSK-3_β的mRNA表达水平。结论表明：CRD对运动能力、直立行为和疼痛阈值的影响存在性别差异；所有CRD方案均损害两种性别的新物体识别记忆；CRD下调雌性大鼠海马BDNF表达，而对雄性大鼠的影响取决于方案时长；长期CRD上调两种性别大鼠的GSK-3_β表达，且雌性大鼠效应更强；Spearman相关分析显示，BDNF功能可能与两种性别的某些行为变化相关，而GSK-3_β功能可能仅与雌性大鼠的疼痛阈值和识别记忆变化相关。该研究首次采用恒定光照与恒定黑暗交替方案诱导CRD，揭示了性别差异在CRD效应中的重要性，为理解昼夜节律紊乱相关的神经精神疾病（如抑郁症、慢性疼痛、认知衰退）的性别特异性易感性提供了分子机制线索，论文发表在《Behavioural Neurology》。

**关键技术方法**
样本来自伊朗ACECR药用植物研究所认知神经科学实验室的Wistar大鼠（48只，雌雄各半，8-9周龄，200-220g）。CRD诱导采用交替48h恒定光照和48h恒定黑暗，分别持续8天（短期）、16天（中期）或24天（长期）。行为测试包括：旷场实验（记录穿越方格数和直立次数评估运动能力和直立行为）、热板实验（50°C热板，记录舔爪潜伏期评估疼痛阈值，截断时间100s）、新物体识别测试（NORT，包括习惯化、熟悉化和测试阶段，24h后计算识别指数评估记忆）。分子检测：行为测试后提取海马组织，使用Qiazol试剂提取总RNA，经DNase I处理反转录为cDNA，采用SYBR Premix Ex Taq II在StepOnePlus实时PCR系统上进行定量PCR，以GAPDH为内参，检测BDNF和GSK-3_β的mRNA表达。统计分析使用双因素方差分析（ANOVA）和Tukey事后检验，Spearman相关检验分析基因表达与行为参数的关系。

**研究结果**
3.1 运动能力：双因素ANOVA显示性别、CRD及交互效应显著。事后检验表明，所有CRD方案均增加雄性大鼠运动能力（p<0.001），雌性大鼠仅长期CRD后增加（p<0.001）。8天和16天CRD组雄性大鼠运动能力高于相应雌性组（p<0.001），而24天CRD组雌性大鼠高于雄性（p<0.01）。
3.2 直立行为：性别、CRD及交互效应显著。雄性大鼠仅中期CRD后直立行为减少（p<0.01），雌性大鼠长期CRD后直立行为增加（p<0.001），且显著高于雄性组（p<0.001）。
3.3 疼痛阈值：性别效应不显著，CRD及交互效应显著。雄性大鼠在中期和长期CRD后疼痛阈值降低（p<0.01），雌性大鼠仅中期CRD后降低（p<0.01）。8天CRD组雄性大鼠疼痛阈值低于雌性（p<0.05），而24天组雌性高于雄性（p<0.01）。
3.4 NORT：性别、CRD及交互效应显著。所有CRD方案均损害两种性别的新物体识别记忆（雄性：8天p<0.01，16天和24天p<0.001；雌性：所有p<0.001），且雌性大鼠在16天和24天CRD组中记忆损害更显著（p<0.01和p<0.001）。
3.5 BDNF：性别、CRD及交互效应显著。雄性大鼠在中期和长期CRD后BDNF表达降低（p<0.001），雌性大鼠所有CRD方案均降低BDNF（8天p<0.05，16天和24天p<0.001），且所有雌性组BDNF水平低于相应雄性组（p<0.001）。
3.6 GSK-3_β：性别、CRD及交互效应显著。两种性别仅在长期CRD后GSK-3_β表达升高（p<0.001），且雌性大鼠升高幅度大于雄性（p<0.01）。
3.7 相关性：Spearman相关分析显示，雄性大鼠中BDNF与运动能力呈负相关（rho=-0.834，p<0.001），与NORT呈正相关（rho=0.793，p<0.001）；雌性大鼠中BDNF与直立行为（rho=0.595，p<0.05）、疼痛阈值（rho=0.762，p<0.01）和NORT（rho=0.879，p<0.01）呈正相关，GSK-3_β与疼痛阈值（rho=-0.612，p<0.05）和NORT（rho=-0.687，p<0.05）呈负相关。

**讨论与结论**
讨论部分指出，CRD对运动能力、直立行为和疼痛阈值的影响存在性别差异，可能与不同性别对昼夜节律紊乱的敏感性差异有关。研究结果支持BDNF在认知和情绪调节中的关键作用，其表达下调可能介导CRD诱导的记忆损害和行为改变，尤其在雌性大鼠中更为显著。同时，长期CRD导致GSK-3_β表达上调，且与雌性大鼠的疼痛阈值和记忆功能负相关，提示GSK-3_β激活可能在CRD相关的行为功能障碍中发挥性别依赖性作用。研究还讨论了褪黑素在调节昼夜节律和神经可塑性中的潜在作用，但未直接测量。结论部分翻译如下：总之，研究人员表明恒定光照与恒定黑暗交替（CRD）强烈影响两种性别大鼠的行为和记忆功能。研究人员展示了CRD对运动能力、直立行为和疼痛阈值的影响存在性别差异。研究人员还发现CRD对雌性大鼠BDNF和GSK-3_β表达水平的影响强于雄性。此外，BDNF功能可能与雄性大鼠的新物体识别记忆和运动能力变化相关，与雌性大鼠的直立行为、疼痛阈值和新物体识别记忆变化相关。然而，GSK-3_β功能可能仅与雌性大鼠的疼痛阈值和新物体识别记忆变化相关。值得注意的是，本研究是首次采用恒定光照与恒定黑暗交替方案诱导CRD。到目前为止，相关研究总是基于恒定光照或恒定黑暗周期设计。这些发现可能具有潜在临床意义，CRD在轮班工作、时差、睡眠障碍及神经精神疾病中普遍存在，性别差异提示需针对不同性别制定个性化干预策略，但需进一步人类研究验证。