基于氢质子磁共振波谱技术研究L波段微波辐射对大鼠学习和记忆的影响

王浩宇，李春舫，，董霁，赵黎，张静，王惠，徐新萍，姚斌伟，周红梅，李家开，马林，彭瑞云

1.军事科学院军事医学研究院辐射医学研究所，北京100850；2.中国人民解放军总医院第一医学中心放射诊断科，北京100853；3.中国人民解放军总医院海南医院放射诊断科，海南三亚572013

前言

随着微波在通讯、科研、医疗、工农业生产等领域日益广泛的应用，人们暴露于微波辐射的时间也在不断增加。而微波辐射对人体产生的影响也逐渐引起了研究者的关注［1-4］。既往研究表明，一定剂量的微波辐射能够对学习和记忆功能造成影响［5-9］。

氢质子磁共振波谱（1H-proton Magnetic Resonance Spectroscopy,1H-MRS）是一种能够无创、在体定量化测量组织内代谢物浓度的技术，可检测的代谢物主要包括N-乙酰天门冬氨酸（N-acetylaspartate,NAA）、胆碱复合物（Choline,Cho）、肌酸（Creatine,Cr）等［10-13］。尽管1H-MRS已被广泛应用于认知功能相关研究中［14-17］，但基于1H-MRS的微波辐射对认知功能影响的研究还较为初步［18-19］，特别是基于1H-MRS 的针对L 波段（1.5 GHz）微波辐射对大鼠学习和记忆影响的研究，尚未见报道。

本研究将利用1H-MRS 技术以及行为学实验方法探索L 波段微波辐射对大鼠学习和记忆能力的影响，为应用1H-MRS 技术评估微波辐射致学习和记忆功能损伤奠定基础。

1 材料与方法

1.1 实验动物分组

SPF级雄性Wistar大鼠26只，体质量（224.7±1.2）g，由斯贝福（北京）生物技术有限公司提供。大鼠自由进食饮水，饲养环境温度约22 ℃。按照体质量随机分为假辐射组（Sham 组）和30 mW/cm2L 波段微波辐射组（L30组）。每组包括参加磁共振实验的3只大鼠以及进行Morris水迷宫实验的10只大鼠。

1.2 微波辐射方法

采用L波段微波源，中心频率为1.5 GHz，并采用平均功率密度30 mW/cm2进行辐射。在整个微波辐射过程中，大鼠放置于微波辐射专用塑料盒中，处于辐射远场，微波辐射由大鼠背侧入射。为保证每只大鼠接收均匀照射，大鼠照射盒随照射台以微波辐射匀场中心轴匀速旋转。

1.3 学习和记忆功能行为学检测

每组选取10 只大鼠，采用Morris 水迷宫对大鼠学习和记忆能力进行检测。本研究所使用的Morris水迷宫分析系统（硕林苑科技有限公司，北京，中国）拥有运动轨迹自动采集系统和封闭式不锈钢圆形水槽。水槽直径160 cm，深45 cm，实验中水温控制在约23 ℃。将水槽内部空间分为4个象限，在第3象限放置一个直径为12 cm 的圆形平台，该平台顶部低于水面1～2 cm。在水槽正上方中央，悬挂轨迹自动采集系统的摄像头。各组大鼠在微波辐射前连续进行Morris水迷宫训练3 d（每天1次），训练时将每只大鼠按照顺序分次放入4 个象限中，首个60 s 内无论大鼠是否找到位于第3象限的圆形平台，都将其放置于该平台上15 s进行学习。在辐射后1 d和7 d，分别对各组大鼠进行定位航行实验。大鼠从入水到找到圆形平台时间为逃避潜伏期，若逃避潜伏期超过60 s则计为60 s。分别记录大鼠由4 个象限出发的逃避潜伏期取平均值，得到各组大鼠的平均逃避潜伏期（Average Escape Latency,AEL）。

1.4 大鼠脑部1H-MRS检测

每组选取3 只大鼠，分别于辐射后1 d 和7 d 在3T MRI 扫描仪（Discovery 750 MR，GE Healthcare,USA）上使用四通道小动物专用线圈对大鼠脑部进行单体素1H-MRS 检测，使用PROBE-SV 序列，重复时间1 500 ms，回波时间288 ms。使用jMRUI 5.2 软件处理1H-MRS 原始数据，获得NAA/Cr 及Cho/Cr 的值。大鼠麻醉采用腹腔注射1% 戊巴比妥钠（0.5 mL/100 g）的方式完成。

1.5 统计学分析

本研究数据均以均值±标准差表示，使用SPSS 19.0 软件对所获得的AEL、NAA/Cr 和Cho/Cr 数据进行方差分析。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 L波段微波辐射对大鼠学习和记忆功能的影响

在辐射后1 d 和7 d 这两个时间点上，L30 组大鼠的AEL 较之于同一时间点的Sham 组大鼠均出现了延长趋势，但无统计学差异（P＞0.05）。详见表1。

表1 30 mW/cm2 L波段微波辐射后大鼠水迷宫实验AEL变化（s）Tab.1 Average escape latency of rats after 30 mW/cm2 L-band microwave radiation(s)

2.2 L波段微波辐射对大鼠脑内代谢物浓度的影响

与Sham组比较，辐射后1 d，L30组大鼠的NAA/Cr值显著降低（P＜0.01），而Cho/Cr 值未见显著改变（P＞0.05）；辐射后7d，L30 组大鼠NAA/Cr 值和Cho/Cr 值与Sham 组大鼠亦未见显著差异（P＞0.05）。详见表2。

表2 30 mW/cm2 L波段微波辐射后大鼠脑内NAA/Cr值和Cho/Cr值变化Tab.2 Intracerebral NAA/Cr and Cho/Cr in rats after 30 mW/cm2 L-band microwave radiation

3 讨论

既往研究表明，一定剂量微波辐射可导致大鼠学习和记忆能力下降。Lu 等［4］发现频率为2.45 GHz的微波辐射后［平均功率密度1 mW/cm2，脑部比吸收率（Specific Absorption Rate,SAR）=0.7 W/kg］30 d，大鼠学习和记忆功能出现障碍；Wang 等［5］发现频率为2.45 GHz 的微波辐射后（平均功率密度2 mW/cm2,SAR=1.2 W/kg）1 h，大鼠空间“参照”记忆能力降低。但也有部分研究给出了阴性的结果，如Dubreuil等［20］发现微波辐射后（频率900 MHz,SAR=3.5 W/kg）45 min，对小鼠的空间学习记忆能力没有显著影响。本研究发现，在L 波段微波辐射后大鼠AEL 有延长趋势，但是并不显著。微波辐射对学习和记忆功能影响的差异可能与所使用的微波频率及辐射剂量大小有关。

1H-MRS 是利用核磁共振现象进行代谢物浓度定量化测量的技术。NAA 是神经元的标志物，由神经元的线粒体产生，共振峰位于2.02 ppm。NAA 代表脑的发育成熟程度、神经元密度、完整性以及健康状况，与轴突、树突及突触联系的功能有关。Dogan等［18］发现3G 手机（频率为900～1 800 MHz）所产生的电磁辐射对大鼠脑内的NAA/Cr、Cho/Cr 浓度无明显的改变，提示短期使用3G 手机并未对大鼠脑组织产生影响。崔亮等［19］发现经2.856 GHz 微波辐射后（平均功率密度30 mW/cm2）3、7 和14 d，左侧海马内NAA/Cr 值显著升高，而辐射后大鼠学习和记忆能力显著下降。本研究发现辐射后1 d，与Sham 组相比，L30 组大鼠脑内NAA/Cr 值显著降低，提示平均功率密度为30 mW/cm2的L 波段微波辐射可引起大鼠脑神经元结构或功能的损伤。与既往研究采用的其他频率及剂量的微波辐射相比，30 mW/cm2L 波段微波辐射对大鼠脑内NAA/Cr造成的影响具有其特异性，其机制有待进一步研究。

此外，比较微波辐射后大鼠学习和记忆行为学指标的改变以及脑内NAA/Cr的改变可以看出，在行为学指标未发生显著改变时，脑内NAA/Cr值已有显著的降低。上述结果提示，较之于行为学研究方法，1H-MRS 技术是一种更为敏感的检测手段，可用于发现和评估微波辐射对学习和记忆相关神经元组织结构和功能造成的早期影响。

4 结论

采用平均功率密度为30 mW/cm2的L 波段微波辐射后1 d，大鼠脑内NAA/Cr 显著降低，但是学习和记忆行为学指标均没有发现显著改变。较之于行为学研究方法，利用1H-MRS 技术能够在被试未出现显著行为学改变时检测出微波辐射对学习和记忆相关神经元的影响。