运动从外周调控脑内BDNF表达促进认知的研究进展

于 涛

随着我国老龄化程度的不断加深，神经退行性病变引起的认知障碍问题不断凸显。以常见的神经退行性疾病阿尔茨海默症为例，2018年中国有超过700万的阿尔茨海默症患者，而到2020年约超过1 000万（Jia et al.，2018）。然而，目前尚无针对阿尔茨海默症的特效治愈药物，因此预防和改善老年人群的认知障碍十分必要。研究发现，大脑海马是最易受到衰老影响的区域，阿尔茨海默症患者的海马神经元再生能力随着疾病的发展不断下降（Moreno-Jimenez et al.，2019），表现为调节可塑性的基因表达下调、树突密度降低、突触可塑性下降以及认知功能障碍。因此，提高海马神经元的再生能力是改善认知的一个重要目标。自20世纪80年代脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）被发现以来（Barde et al.，1982；Leibrock et al.，1989），其促进海马神经元再生、提高学习与记忆功能的关键作用得到了深入研究和广泛认可（Gao et al.，2009）。通过增加脑内BDNF水平促进海马神经元再生是改善认知的一个重要途径。

在提高脑内BDNF水平的临床研究中，无论是BDNF系统给药或是神经干细胞疗法都存在一定的局限性，难以应用在治疗之中。研究显示，运动可以引起脑内BDNF表达增加，并促进海马神经元的再生（Lei et al.，2019；Liu et al.，2018；MacPherson，2017），因此，运动成为一种重要的非药物手段广泛用于改善认知。然而，大脑是一个受到血脑屏障保护相对独立的器官，作为运动促进认知的一个关键机制，运动中的骨骼肌收缩如何从外周调控脑内BDNF表达尚缺乏系统和深入的研究。本文从骨骼肌的内分泌功能和运动引起的能量代谢变化两个方面出发，综述目前运动引起脑内BDNF表达的外周调控机制。

1 运动可促进脑内BDNF表达改善认知

BDNF是继神经生长因子（nerve growth factor，NGF）之后，第二个被发现的神经营养因子，在调控神经元再生和突触可塑性、促进学习和记忆中发挥关键作用。bdnf基因只包含一个蛋白编码区，但其转录却受到多个启动子调控（Aid et al.，2007；Maynard et al.，2015）。由此可见，bdnf基因的表达是一个受到多因素调控的复杂生物学过程（Kowianski et al.，2018）。BDNF蛋白合成与成熟的过程中，首先在内质网中以pre-pro-BDNF的形式存在，转移到高尔基体后，pre区的信号序列被剪切，从而形成了BDNF的前体蛋白——pro-BDNF；随后pro-BDNF被进一步剪切形成成熟的BDNF——m-BDNF。不同形式的BDNF具有不同的生物学功能，pro-BDNF优先结合p75神经营养因子受体（p75NTR），其主要作用是引起细胞凋亡和树突萎缩，进而减少神经元的数量和产生突触退化，从整体控制神经元的数量和质量，消除异常神经元和突触可塑性差的神经元。然而，不同于pro-BDNF的抑制作用，m-BDNF则通过与酪氨酸激酶受体B（tyrosine kinase receptor B，TrkB）结合，并激活磷脂酰肌醇-3激酶/蛋白激酶 B（phosphatid ylinositide-3 kinases/protein kinase B，PI3K/Akt），丝裂原激活的蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）以及磷脂酶Cγ（phospholipase Cγ，PLCγ）信号通路，调控神经元的生长与存活、树突的发育，以及突触的可塑性（Gottmann et al.，2009；Gupta et al.，2013；Lohof et al.，1993）。此外，BDNF在记忆形成以及长时程增强（long term potencial，LTP）中发挥重要作用。研究发现，选择性去除小鼠大脑BDNF的表达明显影响小鼠的学习能力（Gorski et al.，2003）；而在海马注入重组BDNF可逆转因抑制局部BDNF合成而引起的记忆缺失（Bekinschtein et al.，2008）。可见，BDNF在促进学习和记忆中发挥重要作用。

BDNF在大脑中主要表达在海马和皮层。同时BDNF也在骨骼肌中表达。大脑中的BDNF可通过血脑屏障进入外周血（Pan et al.，1998），并与血清BDNF变化成正相关（Klein et al.，2011），因此外周BDNF水平可反映脑内BDNF水平变化。骨骼肌BDNF不能分泌入血，而是在局部发挥促进骨骼肌细胞的脂肪氧化（Matthews et al.，2009）、参与骨骼肌的再生与修复（Yu et al.，2017），以及调节肌纤维类型分化的作用（Delezie et al.，2019）。

由于BDNF在血浆中的半衰期非常短，并且入脑效果不佳，因此通过外周给予重组BDNF，以及采用病毒载体增加BDNF水平的方法，在临床应用中存在很多局限性。运动是调节脑内BDNF表达的一种重要非药物方式，在促进学习和记忆，改善脑退行性疾病如阿尔茨海默症、帕金森以及抑郁中发挥积极作用（刘忆等，2019；王浩权等，2018；杨德洪 等，2018；杨子燚 等，2019；Loprinzi et al.，2019）。研究发现，运动可引起实验动物脑内以海马为主的多个区域BDNF mRNA水平增加，海马细胞增殖以及认知功能提高（Liu and Nusslock，2018）。海马神经元再生能力降低与BDNF水平下降在中度以上阿尔茨海默症患者中十分常见（Moreno-Jimenez et al.，2019）。而运动可提高BDNF水平，并改善阿尔茨海默症患者的认知障碍（MacPherson，2017）。可见运动在促进BDNF表达、改善认知中的重要作用。

2 血液是运动从外周调控认知的介质

运动通过外周调节脑内BDNF表达首先需要从外周到中枢信息传递的介质。研究发现，将青年动物血液输入老年动物会引起老年动物海马神经元再生，改善突触可塑性和认知损害（Castellano et al.，2017；Villeda et al.，2014）。相反，老年动物血液则会引起青年动物海马神经元再生明显降低，并最终损害学习和记忆功能（Villeda et al.，2011）。进一步的研究发现，血液中的金属蛋白酶组织抑制剂2（tissue inhibitor of metalloproteinase 2，TIMP2）、集落刺激因子 2（colony-stimulating factor 2，CSF2）、组织蛋白酶B（cathepsin B，CTSB），鸢尾素（irisin）等具有促进海马神经元再生的功能（抗大脑衰老因子）（Lourenco et al.，2019；Moon et al.，2016）；而 血 液 中 的 趋 化 因 子CCL11（eotaxin），β2-微球蛋白（β2-microglobulin，β2M）则会引起大脑衰老（促大脑衰老因子）（Smith et al.，2015）。由此可见，血液中含有减缓大脑衰老或加速大脑衰老的物质，血液可作为介质将这些物质信息从外周传递至大脑，而增加血液中抗大脑衰老因子的水平则可能促进大脑认知功能。

运动是改变血液成分的一种重要方式。运动不但可调节红细胞、白细胞、血小板的数量和功能，改变血液中激素水平，还能通过骨骼肌反复收缩产生大量骨骼肌因子（Pedersen，2019）。除通过自分泌、旁分泌的方式在骨骼肌局部发挥作用外，一些骨骼肌因子还以内分泌的方式发挥与其他组织器官的远程通信和调控作用。如骨骼肌因子irisin和cathepsin B在促进学习与记忆中发挥积极作用（De la Rosa et al.，2019，Lourenco et al.，2019）。因此，运动可通过增加血液中骨骼肌因子如irisin和cathepsin B的水平，向大脑传递信息，调节大脑的认知功能。

3 运动通过外周调控脑内BDNF表达促进认知的机制

3.1 运动通过分泌骨骼肌因子调控脑内BDNF表达

运动能引起骨骼肌产生多种骨骼肌因子，其中irisin、cathepsin B和IGF-1可通过血液从外周进入大脑调节BDNF表达，发挥促进学习和记忆的作用。

3.1.1 irisin对脑内BDNF表达的调控

irisin是2012年发现的一种骨骼肌因子，它在过氧化物酶体增殖物激活受体-γ共激活因子-1α（peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1α，PGC-1α）的调控下，由含Ⅲ型纤连蛋白结构域蛋白5（fibronectin type III domain-containing protein 5，FNDC5）剪切后形成，并释放入血，引起脂肪组织中解偶联蛋白1（uncoupling protein 1，UCP1）表达增加，促进白色脂肪棕色化（Bostrom et al.，2012）。此外，irisin也在促进学习和记忆中发挥作用。2019年，Lourenco等（2019）发现中度以上阿尔茨海默症患者脑内和脑脊液中FNDC5/irisin水平降低；而增加脑内或者外周FNDC5/irisin水平可以改善阿尔茨海默症小鼠模型中的突触和记忆障碍。

运动可激活骨骼肌中PGC-1α的表达，并通过PGC-1α/FNDC5途径增加外周irisin的水平，发挥提高突触可塑性和记忆保护作用。游泳引起的大脑中FNDC5/irisin水平增加可保护小鼠免受AβO诱导的突触障碍和记忆丧失。此外，有研究发现，运动强度是引起外周irisin水平变化的重要因素。在一次性急性跑台运动中，高强度运动（80%V.O2max）可引起受试者外周irisin水平升高，但低强度运动（40%V.O2max）未能引起irisin水平增加（Tsuchiya et al.，2014）。Loffler等（2015）也指出，短期大强度运动可以引起血清irisin水平瞬时增加，而长期的体育运动对血清irisin的水平影响并不明显。因此，一定强度的运动是引起外周血中irisin水平升高的前提条件。

irisin可在中枢水平和外周水平调节脑内BDNF的表达，提高大脑认知功能。在神经元中过表达FNDC5能引起bdnf基因表达增高；相反，若采用RNAi减少FNDC5则引起bdnf基因的表达下降。可见，FNDC5/irisin对BDNF有调节作用。PGC-1α是irisin的上游调节因子，运动除了引起PGC-1α在骨骼肌中表达外，也引起脑内多个区域PGC-1α的表达增高（Steiner et al.，2011），并且通过激活脑内PGC-1α/FNDC5通路，引起大脑海马中BDNF表达增加，进而促进认知（Wrann et al.，2013）。除在中枢调节BDNF表达外，irisin也可在外周调节脑内BDNF表达。通过腺病毒在肝脏中过表达FNDC5可引起血液中irisin水平升高，并引起海马中BDNF和一些其他神经保护性基因的表达增高。说明外周irisin可通过血液进入大脑，调节BDNF表达促进认知。然而，由于目前irisin的受体尚未被发现，irisin调控BDNF表达的机制尚未被揭示。

3.1.2 cathepsin B对脑内BDNF表达的调控

cathepsin B是属于组织蛋白酶家族的半胱氨酸蛋白酶，在体内广泛表达，参与细胞凋亡、炎症反应以及肿瘤的浸润与转移（Aggarwal et al.，2014）。Moon等（2016）研究发现，cathepsin B是一个骨骼肌因子，并与小鼠海马神经元再生和空间记忆能力提高有关。体外实验中，在L6肌管细胞中加入AMPK激动剂AICAR（模拟运动效果）可引起培养液中cathepsin B水平增加。在动物实验中，运动可引起小鼠骨骼肌中ctsb基因表达上调，并伴有血浆中cathepsin B蛋白水平的增加；但在ctsb基因敲除小鼠中，自主运动并不能引起如野生型小鼠的神经元再生和空间记忆功能的增加，说明运动可通过cathepsin B发挥促进脑认知的积极作用。在人体实验中，4周运动可引起健康年轻人外周cathepsin B水平增加，并与海马依赖性记忆功能提高相关（De la Rosa et al.，2019；Moon et al.，2016）。和irisin相似，外周cathepsin B也可调节脑内BDNF的表达。外周给予ctsb基因敲除小鼠重组cathepsin B 15 min后，血液和大脑组织中cathepsin B蛋白水平都明显增加，并引起BDNF mRNA和蛋白水平的增加。这说明cathepsin B可以通过血脑屏障，并上调脑内BDNF，发挥促进大脑认知功能的作用。

3.1.3 IGF-1对脑内BDNF表达的影响

胰岛素样生长因子1（insulin-like growth factor 1，IGF-1）属胰岛素多肽家族（insulin-like peptides，ILPs），受垂体生长激素调节。IGF-1可在多个器官产生，如肝脏、大脑、肌肉和皮肤，并可通过血脑屏障。它是促进机体生长发育、神经细胞再生和生长以及调节能量代谢的重要因子。运动能够引起外周IGF-1水平升高，增加大脑对外周IGF-1的摄取（Carro et al.，2001）。研究发现，在颈动脉内外源性给予IGF-1会引起大脑中BDNF mRNA的水平增加，模拟运动保护大脑、预防损伤以及调节突触可塑性的作用（Carro et al.，2000）。而通过抗体中和外周IGF-1，会阻碍IGF-1进入大脑，并影响运动诱导的海马神经元再生（Trejo et al.，2001）。IGF-1水平的变化常伴有BDNF水平变化，如1型糖尿病患者血清BDNF和IGF-1的基础水平均低于正常对照者，而高强度间歇运动能同时提高BDNF和IGF-1的水平（Zebrowska et al.，2018）。综上，运动可引起IGF-1水平增加，并通过调节bdnf基因表达，在促进学习与记忆中发挥积极作用。

3.2 运动通过外周能量代谢产物调控脑内BDNF表达

Sleiman等（2016）发现，运动产生的脂肪酸代谢产物β-羟丁酸可通过HDAC2/3调节脑内BDNF表达，进而增强认知功能。El Hayek等（2019）发现，运动产生的乳酸可通过SIRT1调节脑内BDNF表达。这些研究指出，除骨骼肌因子外，能量代谢产物也可从外周调控脑内BDNF表达。进一步拓展了运动促进脑健康的途径与机制。

3.2.1 β-羟丁酸对脑内BDNF表达的调控

酮体是机体在长时间运动、饮食限制、饥饿状态下引起葡萄糖供能不足时，脂肪酸在肝脏代谢产生的中间代谢产物，包括β-羟丁酸（β-OHB），乙酰乙酸（ACAC）和丙酮，其中以β-羟丁酸为主。酮体在肝脏产生后分泌入血，通过血液循环为肝外组织如脑和骨骼肌供能。作为大脑的重要替代能量来源，β-羟丁酸可通过单羧酸转运蛋白（MCTs）进入大脑，在大脑葡萄糖供能不足时，可为大脑提供高达70%的能量来源。近年来的研究发现，β-羟丁酸不仅仅是能量物质，还在癫痫和神经系统退行性病变中具有治疗作用（Taylor et al.，2019）。更为重要的是，β-羟丁酸还是特异的内源性I类组蛋白去乙酰化酶的抑制剂（Shimazu et al.，2013），可通过表观遗传调控bdnf基因的转录。

组蛋白的乙酰化修饰是最早发现的影响转录调控的组蛋白修饰之一，也是表观遗传学研究的核心热点。它主要靶向启动子区域，通过乙酰转移酶（HAT）增加组蛋白的乙酰化，促进基因转录；通过去乙酰化酶（HDACs）减少组蛋白的乙酰化，抑制基因转录。抑制HDACs是常用的调控基因表达的方法之一。HDACs分为4类，其中I、II和IV类为Zn2+依赖型，III类为NAD+依赖型（称为Sirtuins）。研究发现，BDNF表达受到HDACs抑制剂的调控。体外研究发现，I/IIb类HDACs抑制剂SAHA和泛HDACs抑制剂TSA可引起BDNF mRNA在神经元中表达增加；同时，特异性I类HDACs抑制剂如CI-994也可诱导BDNF表达。进一步的研究发现，作为特异的内源性I类HDACs抑制剂，β-羟丁酸可以在体外引起神经元BDNF表达升高。此外，在动物模型中，运动可引起小鼠海马中β-羟丁酸水平增加，进而通过抑制HDAC2/3引起组蛋白H3乙酰化水平升高，促进脑内BDNF转录，提高认知（Sleiman et al.，2016）。这些研究表明，运动产生的β-羟丁酸可以从表观遗传角度调控脑内BDNF表达，为运动从外周调控BDNF表达、促进学习和记忆的机制指明了新的方向。

3.2.2 乳酸对脑内BDNF表达的调控

除酮体外，乳酸也是常见的能量代谢产物。在运动强度不断增加的情况下，骨骼肌细胞由有氧代谢转变为无氧代谢，葡萄糖酵解产生的丙酮酸转化为乳酸释放入血液，引起血乳酸水平增加。因此乳酸常被用来反映运动强度。除作为一种骨骼肌能量代谢的产物外，乳酸还存在于大脑中，参与调节大脑功能：星状胶质细胞可为神经元提供乳酸，促进LTP以及记忆的形成（Steinman et al.，2016）；乳酸可激活NMDA受体和ERK信号通路，促进突触可塑性相关基因的表达（Yang et al.，2014）；乳酸也可通过结合HCAR1受体，促进脑内VEGF的表达和血管再生（Morland et al.，2017）。El Hayek等（2019）发现，乳酸可上调神经元BDNF表达，进而促进认知。在小鼠腹腔内注入乳酸，引起海马中BDNF的表达、TrkB信号通路的激活以及小鼠空间学习和记忆能力的提高。此外，运动也可引起小鼠海马内乳酸水平增加，进而上调BDNF启动子I的转录水平。而在此模型中采用MCT抑制剂阻止外周乳酸进入大脑时，脑内BDNF启动子I的转录水平不再升高（El Hayek et al.，2019）。由此可见，运动产生的乳酸可通过血脑屏障进入大脑，促进BDNF表达增加，改善大脑学习和记忆功能。

该研究进一步显示，外周乳酸对脑内BDNF的调控作用是通过SIRT1（sirtuin-1）介导的。在乳酸诱导BDNF表达的体外研究中，使用SIRT1抑制剂sirtinol后，乳酸不能引起原代培养的神经元中BDNF启动子I的转录水平增加，提示SIRT1在乳酸促进BDNF表达中发挥关键作用（El Hayek et al.，2019）。sirtuins是广泛存在的一类依赖于NAD+的组蛋白去乙酰化酶，包括SIRT1～7。SIRT1在调节细胞能量稳态中十分重要（Guarente，2013），并在调节大脑认知功能中发挥作用。SIRT1表达水平的降低常与阿尔茨海默症患者β淀粉样蛋白产生和沉积增加有关（Julien et al.，2009）；而过表达SIRT1则可降低β淀粉样蛋白的产生（Koo et al.，2017）。运动和腹腔注射乳酸都可以引起海马内SIRT1表达增加，以及BDNF启动子I的转录水平增加（El Hayek et al.，2019；Muller et al.，2020）。由此可见，运动可通过能量代谢产物乳酸调控脑内BDNF表达，进而促进认知。

3.2.3 α-酮戊二酸对脑内BDNF表达的影响

除β-羟丁酸和乳酸外，α-酮戊二酸也被认为在调控BDNF 表达中发挥作用（Kurdi et al.，2019；Sleiman et al.，2015）。α-酮戊二酸是三羧酸循环的中间代谢物，其水平在运动后增加（Yuan et al.，2020）。同时，α-酮戊二酸可通过参与DNA去甲基化调节基因表达。DNA甲基化是在DNA甲基转移酶催化下，甲基转移到启动子CpG岛的过程，并在转录水平导致基因表达沉默。DNA甲基化的过程中，甲基转移到启动子CpG岛后，甲基化的DNA可被甲基化CpG结合蛋白（methyl-CpG binding domain proteins，MBD）结合，包括甲基化CpG结合蛋白2（methyl-CpG binding protein 2，MeCP2）以及 MBD1～4，进一步调控目的基因的转录（Ballestar et al.，2001）。MeCP2含有两个结构域：甲基化DNA结合结构域和转录抑制结构域。通过甲基化DNA结合结构域，MeCP2以甲基化依赖的方式结合到染色质上；通过转录抑制结构域，MeCP2募集去组蛋白乙酰化酶和基因转录抑制剂Sin3a形成复合体，抑制基因的转录。研究发现，MeCP2可选择性与BDNF启动子III（IV）相结合，抑制BDNF基因的表达。而当神经元细胞膜去极化时，MeCP2发生磷酸化，并从BDNF启动子中释放出来。而此时DNA去甲基化酶TET（ten-eleven translocation）与DNA发生结合，催化5-甲基胞嘧啶（5-mC）生成5-羟甲基胞嘧啶（5-hmC），引起DNA去甲基化，促进 BDNF转录（Ambigapathy et al.，2015；Chen et al.，2003）。研究发现，TET去甲基化的活性受到α-酮戊二酸水平的影响（Lio et al.，2019；McGee et al.，2017）。而运动可能通过增加α-酮戊二酸水平，引起TET活性增加，进而降低BDNF启动子区DNA的甲基化水平，促进BDNF转录（Leibowitz et al.，2012；Yuan et al.，2020；Zhang et al.，2019）。因此，运动可能通过能量代谢产物α-酮戊二酸调节脑内BDNF表达。运动通过外周调控脑内BDNF表达促进认知的路径如图1所示。

图1 运动从外周调控脑内BDNF表达促进认知的路径与机制Figure 1.The Modulation Mechanism of BDNF Expression in the Brain by Peripheral Factors Induced by Exercise to Promote Cognition

4 结论

作为调节神经元再生的关键神经营养因子，BDNF在促进学习和记忆以及改善神经退行性疾病中发挥重要作用。由于可以有效增加脑内BDNF水平，运动在近年来得到了广泛的关注。尤其是不同运动方案在提高BDNF水平促进认知中的差异是目前研究的焦点。从BDNF表达受多个启动子调控的特点可以推测，运动可能通过多种途径调控脑内BDNF表达。骨骼肌因子irisin、Cathepsin B和IGF-1都可通过血液从外周调控BDNF表达，促进学习和记忆。运动产生的能量代谢产物β-羟丁酸和乳酸也可通过血液入脑，在表观遗传水平调控脑内BDNF表达，发挥促进认知的作用。运动产生的β-羟丁酸和乳酸是机体在能量代谢水平对运动量和运动强度的反映。因此，β-羟丁酸和乳酸对脑内BDNF的调节作用，说明运动量和运动强度是运动促进认知的重要影响因素。此外，酮体和乳酸易于检测，可作为运动的监控指标解决某些低强度和低运动量的运动方案不能有效促进脑健康的问题。虽然目前从能量代谢角度调控BDNF的研究还不多，但随着研究的不断深入，运动通过能量代谢产物调控脑内BDNF表达的机制将逐渐被揭示，有助于运动在促进脑健康中发挥更加有效地作用，也将为科学有效地应用运动促进认知提供理论依据和参考，为神经退行性疾病的药物研究提供新的思路和方向。