運動如何改善大腦的健康

凱莉?塞菲科（Kelly Servick）

http://news.siencemag.org/biology/2013/how-exercise-beefs-brain

盡管我們的肌肉輸送鐵離子，我們的細胞輸送其他的一些物質：這些分子有助于保持一個健康的大腦。但是，科學家們一直在為解釋眾所周知的運動有益于心智的問題而努力，運動具有從拮抗抑郁和衰老到與阿爾茨海默氏癥及帕金森氏病作斗爭的好處?，F在，一個研究團隊可能終于找到了運動和健康大腦之間的一種分子聯系。

許多運動研究，主要集中于我們身體的負重活動部分。肌肉在運動期間，一種稱為FNDC5（內含蛋白質5的纖連蛋白Ⅲ型結構域）的蛋白質產量上升。這種蛋白質的一個片段稱為鳶尾素（irisin），被切下并釋放進入血液，它促使棕色脂肪細胞的形成，一般認為棕色脂肪可防止一些疾病如糖尿病和肥胖癥的發生（白色脂肪是傳統的壞東西）。

位于波士頓的哈佛醫學院的細胞生物學家布魯斯?施皮格爾曼（Bruce Spiegelman），在研究肌肉中FNDC5的作用期間，偶然發現了一些令人吃驚的結果：不產生一種稱為PGC-1α（過氧化物酶體增殖激活受體γ共激活因子1-α）的小鼠，它們大腦的一些部分異?；钴S并有微小的孔，PGC-1α是FNDC5的輔激活劑。其他研究表明FNDC5和PGC-1α不只在肌肉中有，也存在于大腦中，這二者在神經元的發育中可能發揮作用。

施皮格爾曼和他的同事們懷疑，FNDC5（和它所形成的鳶尾素）具有能使運動有益于大腦的功能——特別是一種稱為腦源性神經營養因子（BDNF）的關鍵蛋白質水平升高，這對維持神經細胞的健康和形成新的神經細胞是必不可少的。這些功能，對延緩和避免神經系統疾病包括阿爾茨海默氏癥及帕金森氏病是至關重要的。而運動和BDNF之間的聯系，已被人們廣泛地接受。位于紐約的威爾?康乃爾醫學院的神經科學家芭芭拉?亨普斯特德（Barbara Hempstead），他沒有參與這項新研究，他說：“這種現象，在過去的十年中已被輕易地確立?！薄拔覀冎皇遣涣私馑臋C制。”

為了搞清楚這種機制，施皮格爾曼和他的同事們在活小鼠和培養的小鼠腦細胞中進行了一系列的實驗。首先，他們安排小鼠實施了一個30天的耐力訓練方案。他們不必強迫小鼠跑動，因為跑動是小鼠自然覓食行為的一部分。施皮格爾曼指出：“這是很難讓它們捧起的重量?！毙∈筮M入一個正在運轉的輪子，每晚相當于跑步5公里。研究論文的共同作者也是哈佛醫學院的形體豐滿的克里斯蒂娜?然（Christiane Wrann）說，輪子訓練的小鼠和不愛活動的更有點像沙發土豆的小鼠之間，除了身體差異之外，該團隊還證明存在神經系統的差異。跑動小鼠的海馬中含有更多的FNDC5，海馬是大腦中負責學習和記憶的區域。

該團隊接著利用在培養皿中發育的小鼠腦細胞，證明提升輔激活劑PGC-1α的水平，增加了FNDC5的產生，FNDC5則驅動BNDF基因編碼更多生成神經元的關鍵BDNF蛋白。他們今天把這些結果，在線報告于《細胞代謝》雜志。施皮格爾曼說，如我們運動時在肌肉中發生的那樣，發現了神經元反射活動中發生的分子過程，這是令人驚訝的。他說：“很奇怪的是，大腦中被誘導的是相同的通路，正如你所知道的，運動時大腦沒有改變位置?！?/p>

那么，大腦是如何得到信號來產生BDNF的？有些人推測，運動期間的神經活動（例如像我們協調自己身體的運動），可以用來解釋大腦中的變化。不過，腦外的因素如肌肉細胞分泌的一些蛋白質，也可能是驅動的力量。為了測試所生成的鳶尾素，是否在身體的其他部位仍然能夠驅動大腦產生BDNF，該團隊把一種載有FNDC5的腺病毒注入小鼠的血液，導致肝臟形成和分泌鳶尾素并提高其水平。他們觀察到了像運動中相同的效果：海馬中的BDNF水平升高。施皮格爾曼說，這表明鳶尾素具有通過血腦屏障的能力，或者它調節一些其他（未知）分子穿越進入大腦。

亨普斯特德認為，這些結果“非常令人興奮”，并認為這項研究終于開始解釋運動如何與BDNF以及其他所謂的神經營養因子保持大腦健康的功能有關?！拔艺J為，要回答的這個問題，已經在我們大多數人的頭腦中提出了許多年?！?/p>

瑞典卡羅琳斯卡研究所的糖尿病研究人員龐特斯?博斯特倫（Pontus Bostr?m）說，肝臟產生的鳶尾素對大腦的影響是一個“非?？岷陀行┝钊梭@訝的發現?！辈贿^，博斯特倫是確定肌肉組織中鳶尾素的首批科學家之一，他說這項研究還沒有回答根本的問題：由運動肌肉細胞產生的鳶尾素，經過血流到達大腦，促進BDNF生成的作用有多少，以及大腦產生了多少的鳶尾素？

盡管作者們指出其他重要的調節蛋白可能在驅動BDNF和另外的大腦營養因子中發揮作用，但他們仍專注于鳶尾素的有益作用，希望開發出一種可注射狀態的FNDC5，作為神經系統疾病的潛在治療劑，并改善大腦的健康和延緩衰老。