不同强度40 s重复5次+Gz暴露后脑缺血恢复期大鼠学习记忆功能的变化
【关键词】 ,正加速度；学习；记忆；大鼠
Effects of repeated (40 s×5) +Gz exposures on learning and memory of rats during postischemic recovery
【Abstract】 AIM: To explore the effects of different repeated (40 s×5) +Gz exposures on learning and memory in rats during postischemic recovery. METHODS: Twentyfour male SD rats were randomly divided into 3 groups: control group(C), +6 Gz/40 s×5 group (+6 Gz), and +10 Gz/40 s×5 group (+10 Gz). Changes of learning and memory performance in rats were measured during 1 week after +Gz exposure. RESULTS: In the open field test, compared to control group, summation of crossing and rearing(SCR) in +6 Gz group declined significantly at 0 d（P<0.01）; SCR in +10 Gz group declined significantly at 0 d（P<0.01）, and time stay in center grille(TSC) increased significantly at 0 d (P<0.01); compared to +6 Gz group, TSC in +10 Gz group increased significantly at 0 and 4 d（P<0.05）. In Ymaze test, compared to control group, there were no apparent changes of either right reaction number(RR) or time of reaction(TR) in +6 Gz group at all time points; RR in +10 Gz group decreased significantly at 2 d（P<0.01 vs control group）, and TR increased significantly at 0 and 2 d（P<0.05, P<0.01 vs control group）; compared to +6 Gz group, RR at 0 and 2 d, TR at 0, 2 and 4 d in +10 Gz group changed significantly （P<0.05, P<0.01）. In passive avoidance test, there were no apparent changes of all items in +6 Gz or +10 Gz group as compared to control group. CONCLUSION: Repeated (40s×5) +10 Gz exposures may temporarily impair the learning ability in rats.
【Keywords】 +Gz; learning; memory; rats
【摘要】 目的： 探讨短时重复+Gz暴露脑缺血恢复期大鼠学习记忆功能的改变. 方法： 将24只雄性SD大鼠随机等分为对照组、+6 Gz/40s×5（+6 Gz）组和+10 Gz/40s×5（+10 Gz）组. 观察不同＋Gz作用后1 wk大鼠学习能力的变化. 结果： 旷场反应中，+6 Gz组在暴露后即刻总得分较对照组显著降低（P<0.01）；+10 Gz组在0 d中央格停留时间和总得分较对照组显著延长(P<0.01)；与+6 Gz组比较，+10 Gz组中央格停留时间在0，4 d显著延长（P<0.05）. 在辨别性学习能力测试中，+6 Gz组正确反应次数和反应时在各时间点与对照组均无明显差异；+10 Gz组正确反应次数在2 d较对照组显著降低（P<0.01），反应时在0，2 d显著延长（P<0.05或P<0.01）；与+6 Gz组比较，+10 Gz组的正确反应次数在0，2 d时显著降低（P<0.05或P<0.01），反应时在0，2，4 d显著延长（P<0.05或P<0.01）. 在被动回避反应中，与对照组比较，+6 Gz和+10 Gz组各项指标均无显著性改变. 结论： 40s×5 +10 Gz重复暴露导致学习能力暂时性降低.
【关键词】 正加速度；学习；记忆；大鼠
0引言
目前，高性能战斗机产生的正加速度过载可达+9 G～+10 G，持续时间可达30～45 s，并可反复出现，已经超出了人体的正常耐受限度［1］. 高G暴露可引起人脑的病理生理性改变，作为重要脑功能的学习记忆功能必然也受到影响. 大量动物实验表明，脑缺血可引起动物脑部神经元的病理性改变，学习记忆功能受损［2］. 我们以往的研究［3］显示+6 Gz/3 min或+10 Gz/3 min的暴露可导致大鼠学习记忆能力显著降低，表明较长时间的+Gz暴露后大鼠正常的脑功能受到了影响. 但对每次作用持续时间较短且反复出现的+Gz暴露对学习记忆能力有无影响尚不清楚. 本研究旨在从不同角度探讨高G重复暴露致大鼠学习记忆能力变化中的各种加速度要素的作用意义.
1材料和方法
1.1材料清洁级雄性SD大鼠24只，体质量160～180 g（第四军医大学实验动物中心）；动物离心机（自行研制），臂长2 m，可模拟1～15 G的加速度暴露；旷场反应箱、Y型迷宫和明暗箱（自行研制）.
1.2方法
1.2.1动物分组先将动物在实验室饲养1 wk使之适应实验环境以排除惊吓、环境等因素对大鼠学习记忆和行为的影响，将动物随机分为3组：对照组、+6 Gz/40 s×5组（+6 Gz组）和+10 Gz/40 s×5组（+10 Gz组），每组8只.
1.2.2+Gz暴露方式采用动物离心机模拟+Gz暴露. 利用自制的有机玻璃盒（15 cm×5 cm×3 cm）承载大鼠，并水平固定于离心机的转臂上，大鼠头部朝向离心机旋转轴心. +6 Gz组和+10 Gz组大鼠在动物离心机上模拟+Gz暴露，暴露G值水平分别为+6 Gz和+10 Gz，单次峰值持续时间为40 s，加速度增长率为1G/s,连续进行5次暴露，每两次暴露之间间隔5 min. 对照组大鼠仅放置于有机玻璃盒中，处于实验组相同的离心机噪声环境中25 min，不进行+Gz暴露. 在+Gz重复暴露后即刻（2 min内）开始进行首次行为学检测，实验顺序为旷场反应、Y迷宫实验和被动回避试验. 检测时间点为暴露后0， 2， 4， 6 d，被动回避实验仅检测0d和6d两个时间点. 为保证实验结果的可靠性，实验均安排在安静、光线较暗的同一相似环境中进行，实验时间均为每日08：00~11：00.
1.2.3旷场反应采用旷场分析观察大鼠兴奋性和运动的变化［4］. 实验时，将大鼠放入旷场反应箱正中格中，观察3 min内大鼠的活动情况. 观察指标包括中央格停留时间和总得分，即跨格次数(三爪以上跨入邻格的次数)和站立次数(两前肢离地1 cm以上)的和.
1.2.4辨别性学习能力观察采用Y型迷宫实验. 实验开始时，将大鼠放入迷宫，使其适应环境1 min. 通电，起始臂灯亮，5 s延时后，不亮灯的两臂及连接区开始通电（40 V直流电），大鼠逃往安全臂. 此时灯光仍持续60 s，然后熄灯完成一次测试. 每时间点均进行15次测试. 记录正确反应次数和总反应时.
1.2.5被动回避反应采用明暗箱进行实验. 暗箱通40V交流电，暗箱与明箱相连的壁中央有洞，大鼠可以自由通过. 先将大鼠放入明箱中，其钻入暗箱遭受电击后将逃回明箱. 以大鼠在明箱中停留时间超过5 min为学会. 记录0 d学会所用的总时间、潜伏期和错误数以及6d潜伏期.
统计学处理：所有数据均以x±s表示，使用SPSS 11.0统计软件进行统计分析，采用重复测量方差分析检验行为学观察和辨别性学习能力实验结果，采用非参数检验比较被动回避反应实验结果.
2结果
2.1旷场反应对照组大鼠中央格停留时间随学习次数的增加呈逐渐缩短趋势，总得分也逐渐降低. 和对照组比较，+6 Gz组大鼠在暴露后0 d总得分显著降低（P<0.01），中央格停留时间有延长的趋势；+10 Gz组大鼠中央格停留时间在0 d显著延长(P<0.01)，总得分在0 d显著降低(P<0.01)；与+6 Gz组比较，+10 Gz组大鼠中央格停留时间在0d和4d显著延长（P<0.05），总得分在各时间点均无显著差异（表1）.
表1+Gz暴露后大鼠旷场反应中央格停留时间和总得分的变化（略）
bP<0.01 vs对照; cP<0.05 vs +6 Gz. +6 Gz: +6 Gz重复暴露;+10 Gz: +10 Gz重复暴露.
2.2辨别性学习能力各实验组在Y型迷宫中的成绩均随学习次数的增加逐渐提高，正确反应次数随重复学习次数的增加而增多，反应时逐渐缩短. 比较同一时间点各组差异，+6 Gz组大鼠正确反应次数和反应时在各时间点与对照组均无明显差异；+10 Gz组大鼠正确反应次数在2d较对照组显著降低（P<0.01，图1，2），反应时在0， 2 d较对照组显著延长（P<0.05或P<0.01）；与+6 Gz组比较，+10 Gz组的正确反应次数在0， 2 d时显著降低（P<0.05或P<0.01），反应时在0， 2， 4 d显著延长（P<0.05或P<0.01）.
2.3被动回避反应对照组、+6 Gz组和+10 Gz组大鼠的学习所用总时间、潜伏期、错误数及6 d潜伏期无显著差异；但+10 Gz组大鼠的潜伏期有延长趋势，6 d潜伏期有缩短趋势（表2）.
bP<0.01 vs对照; cP<0.05, dP<0.01 vs+6 Gz. n=8, x±s.
图1+Gz暴露后大鼠Y型迷宫正确反应次数的变化（略）
aP<0.05, bP<0.01 vs对照; cP<0.05, dP<0.01 vs +6 Gz. n=8, x±s.
图2+Gz暴露后大鼠Y型迷宫反应时的变化（略）
表2+Gz暴露后大鼠被动回避实验总时间、潜伏期、错误数的变化（略）
Gz: +6 Gz重复暴露；+10 Gz: +10 Gz重复暴露. TT: 学习所用总时间; LT: 潜伏期; NE: 错误数；D6LT: 第6日潜伏期.
3讨论
旷场反应可分析观察大鼠兴奋性和运动等的变化情况. Y型迷宫实验可考察大鼠的空间学习能力. 被动回避实验可考察大鼠记忆保持能力的变化情况［5-6］. 实验结果显示，40 s×5 +6 Gz暴露后，大鼠在脑缺血恢复期进行学习训练过程中，除0 d时间点出现的运动能力降低外，在辨别性学习能力以及被动回避能力学习中各项指标与对照组大鼠均无显著差异；而40 s×5 +10 Gz暴露后，大鼠的即刻兴奋性及运动能力显著降低，辨别性学习能力在0 d, 2 d较对照组显著降低. 以上结果提示，40 s×5 +10 Gz 暴露后导致大鼠的学习能力出现了暂时性降低，40 s×5 +6 Gz 暴露后大鼠的学习能力无明显变化；40 s×5 +Gz暴露后大鼠记忆保持能力未受到影响.
加速度谱线包括加速度值大小（G值）、作用持续时间和加速度增长率等若干参量. 加速度作用于人体时，由于其参量不同，所引起的人体生物动力学效应可有很大差异. 机体对低G值可以耐受较长时间，能够代偿由惯性力所引起的不良生理反应；随着G值增大，耐受时间逐渐缩短，如加速度值超过一定强度时，超过机体的代偿能力，结果就会发生严重的机能障碍 ［7］.
在采用3 min +Gz暴露的实验中，我们曾经观察到+6 Gz和＋10 Gz暴露恢复期可致大鼠学习能力持续降低，并且随着G值的增高学习能力降低的程度呈加重趋势. 本次实验与以往采用单次3 min +Gz暴露［3］采用了相同的G值，但差异却十分显著. 究其原因，+Gz的暴露持续时间的不同是导致两次实验显著差异的关键因素. 大量研究显示，当+Gz作用时间超过3 s但少于60 s时，可因为血液供应的减少以及血液循环停滞导致中枢神经系统缺血缺氧，丧失其正常功能，但此时经过6~12 s的 +Gz暴露后，机体的心血管代偿功能开始发挥作用，能够通过增加心输出量和血管收缩以增大血管阻力等方式，藉以升高头（眼）水平动脉血压，增加对头部的血液供应，从而部分减轻脑缺血程度. 但是当加速度作用持续时间超过60 s时，可能引起机体代偿机能疲劳或发生代偿衰竭，从而导致脑部缺血症状出现持续性加重现象［8］. 本次实验中虽然采用了5次重复+Gz暴露，但每次＋Gz暴露持续时间均未超过60 s，处在代偿期内，使中枢神经系统的缺血缺氧情况相对比较轻微；并且两次暴露之间均间隔5 min，使机体有足够的时间调整身体各部位的血液供应，并协作各项代偿机能.
比较本次实验+6 Gz与+10 Gz组的结果，我们发现两者的差别十分明显. 这可能提示在单位作用时间内，+Gz暴露的总强度存在一个“阈限”，这个阈值应是G值与作用持续时间的乘积（可能还受到G值增长率的影响），一旦暴露强度超过此阈值，学习记忆功能将受到损害，而低于此阈值的+Gz暴露对学习功能影响无影响. 其机理需要在以后进一步的研究中予以解决.
【】
［1］ Bateman WA, Jacobs I, Buick F. Physical conditioning to enhance +Gz tolerance: Issues and current understanding［J］. Aviat Space Environ Med, 2006,77(6):573-580.
［2］ Belles M, Albina ML, Linares V, et al. Combined action of uranium and stress in the rat. I. Behavioral effects［J］. Toxicol Lett, 2005,158(3):176-185.
［3］ 曹新生, 吴兴裕，孙喜庆，等. +Gz致脑缺血恢复期大鼠学习能力变化的探讨［J］. 第四军医大学学报,2004,25(1):79-81.
［4］ Block F. Global ischemia and behavioural deficits［J］. Prog Neurobiol, 1999,58(3):279-295.
［5］ Bao XM, Shu SY, Wang H. Expression of cfos and cjun proteins in the marginal division of the rat striatum during learning and memory training［J］. Chin Med J (Engl), 2005,118(5):398-403.
［6］ Gulinello M, Lebesgue D, JoverMengual T, et al. Acute and chronic estradiol treatments reduce memory deficits induced by transient global ischemia in female rats［J］. Horm Behav, 2006,49(2):246-260.
［7］ Lyons TJ, Kraft NO, Copley GB, et al. Analysis of mission and aircraft factors in Ginduced loss of consciousness in the USAF: 1982-2002［J］. Aviat Space Environ Med, 2004,75(6):479-482.
［8］ 孙喜庆. 航空航天生物动力学［M］. 西安： 第四军医大学出版社,2005:33-43.
