应用被动头部运动在啮齿类动物头部产生定义明确的加速度
2022年7月21日
本方案描述了一种定制设计的“被动头部运动”系统，可重现啮齿类动物在中等速度跑台上跑步时其头部所受到的机械加速度。该系统有助于将机械因素/组分从体育锻炼的有益效应中分离出来。
本方案有助于解答体育锻炼如何支持机体稳态这一问题。该系统使我们能够区分直接作用于大脑的机械效应与步行和慢跑等体力活动所产生的复杂后果。首先，使用手术胶带将加速度计固定在大鼠头部顶端。
完全从麻醉中恢复后，将大鼠放入跑台仪器中。将跑台调节至20米/分钟的中等速度。当大鼠在跑台上奔跑时，使用应用软件测量其在X、Y和Z轴方向上的垂直加速度幅度。
将软件获得的数值与PHM系统中垂直加速度的频率幅值进行匹配。预设平台的振荡幅度和叶轮状凸轮的旋转速度。然后将小鼠呈俯卧位放置，头部位于可振荡平台上，身体其余部分置于静态平台上。
启动电机，使平台垂直振荡，并对小鼠施加PHM。在透明塑料箱内，将摄像机设置为24 FPS的帧率，以记录整个空间。随后，向小鼠腹腔注射5-羟基色氨酸。
将小鼠放入透明笼子中，开始记录 30 分钟。以 0.5 倍速度回放录制的视频，手动计数头部抽动次数。从载玻片盒中取出小鼠脑组织的冷冻切片。
将载玻片置于洁净的擦拭纸上，在室温下静置直至样品完全脱水。使用液体阻断笔在冷冻切片组织周围画一圈，然后加入 TBS-T 溶液。
在托盘底部放置浸湿的擦拭巾，为载玻片创造一个湿润的环境。用 TBS-T 透化后，加入 4% 驴血清进行封闭，在室温下孵育一小时。将载玻片浸入 TBS-T 中五分钟，清洗一次。
然后在每张切片上加入100微升适当稀释的一抗和dappy混合液。盖上容器，在室温下孵育过夜。孵育结束后，用TBS-T缓冲液洗涤三次，每次五分钟。
加入100微升适当稀释的种属匹配的荧光二抗，室温孵育一小时。用TBS-T缓冲液漂洗三次，每次五分钟，随后用封片剂封片，并盖上盖玻片。封片后，在荧光显微镜下观察样本。
PHM 系统被调节至产生约 1.0 倍重力加速度（G）的垂直加速度峰值，该值相当于大鼠在跑台跑步期间头部所受的加速度。与对照组小鼠相比，PHM 应用于小鼠后显著减弱了其头部抽动反应，表明 PHM 对前额叶皮层神经元中 5-HT2A 受体信号具有抑制作用。在 PHM 作用下进行跑台跑步显著增强了 5-HT2A 受体的内化以及小鼠前额叶皮层神经元的活性。
通过量化与新增阳性区域相比的内化及膜相关5-HT2A受体阳性区域，进一步证实了这一观察结果。对5-HT2A受体阳性神经元中c-Fos表达的免疫染色及定量分析显示，在PHM中跑台运动可下调5-HTP诱导的c-Fos表达。这是5-HT2A受体激活后在小鼠前额叶皮层神经元中发生的下游细胞事件。
可以通过对头部以外的身体部位进行机械干预，来研究运动效应的机械力学特性。
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概述
本研究探讨了体力活动，特别是跑台跑步，如何通过新开发的被动头部运动（PHM）系统影响机体稳态。通过模拟大鼠所经历的机械加速度，该方案能够有效分离机械因素及其对脑功能的特定影响。
关键研究组成部分
研究领域
- 身体运动与稳态
- 机械转导的神经科学
- 机械因素对脑内信号通路的影响
背景
- 体力活动在生理调节中的作用
- 机械刺激对神经元反应的影响
- 理解大脑对运动反应的重要性
使用的方法
- 定制设计的被动头部运动（PHM）系统
- 啮齿类动物（大鼠和小鼠）作为生物模型
- 脑组织分析的荧光染色与免疫组织化学技术
主要结果
- PHM 显著减轻了小鼠的头部抽搐反应
- 前额叶皮层神经元中 5-HT2A 受体的内化作用增强
- 机械干预后 c-Fos 表达下调
结论
- 该研究展示了一种检验机械力对大脑影响的有效方法。
- 研究结果有助于深入理解运动生理学和神经元信号传导机制。
常见问题
行业应用价值
解析运动对脑信号传导的直接机械效应，对于降低早期发现阶段神经生物学靶点的风险并阐明机制假说至关重要。被动头部运动（PHM）系统可实现对啮齿类动物头部施加可控且可重复的特定机械加速度，从而提升机械转导研究的预测可信度。该技术能力有助于神经精神疾病及运动相关治疗项目的靶点验证与转化连续性。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 可探究与运动诱导的脑稳态相关的机械转导通路。
- 支持在特定神经元群体中对5-羟色胺受体信号传导进行功能验证。
- 通过分离机械性与全身性运动效应，促进机制层面的风险排除。
- 为通路激活和受体内化提供定量基准。
筛选与检测方法开发
- 制备经验证的啮齿类动物模型，用于后续神经药理学筛选。
- 标准化机械刺激参数，以实现可重复的检测方法开发。
- 生成定量输出结果，如头部加速度曲线和受体定位指标。
- 实现对化合物在机械敏感通路中作用的可靠评估。
转化与临床前研究
- 将临床前模型与在人类运动中观察到的疾病相关机械刺激相匹配。
- 支持从机制发现到生物标志物驱动的临床前验证的连续性研究。
- 为神经精神类及运动模拟候选药物的风险调整后推进提供依据。
- 提供一个用于评估机械转导转化生物标志物的平台。
流程与工作流整合
PHM 系统通过在啮齿类动物模型中实现对机械信号传导的假设驱动型验证，融入从发现到临床前研究的连续过程，支持靶点验证和转化生物标志物的开发。
- Discovery Biology：支持对脑信号通路机械激活的零假设检验。
- Screening：提供可重复的定量机械刺激，用于检测方法的标准化。
- Analytics：提供可量化的输出结果，如加速度曲线、受体内化和c-Fos表达水平。
- Translational Research：将机制性发现与运动及神经精神疾病研究相关的临床前模型相衔接。
- Enterprise Reuse：为多种机械转导和神经生物学研究提供可重复使用的实验平台。
运营与企业影响
- 科学价值：提高对机制性假设和靶点验证的预测可信度。
- 操作价值：实现标准化、可扩展且可重复的机械刺激方案。
- 战略价值：通过明确机械作用对脑靶点的直接影响，优化决策流程中的“推进/终止”判断。
- 项目组合影响：支持对神经精神疾病及模拟运动类项目的优先级进行风险调整后的评估与排序。
实施注意事项
- 需要具备啮齿类动物操作、神经生物学和定量成像方面的专业知识。
- 需要配备用于可控机械刺激和高分辨率荧光显微成像的仪器设备。
- 要求跨团队对刺激参数和分析终点进行标准化。
- 在不同啮齿类物种和运动范式间的应用可能需要对实验方案进行优化。
- 机械干预仅限于可触及的身体区域，可能无法完全模拟全身性运动的效果。
生物制药常见问题
Chapters in this video
0:05
Introduction
0:35
Measurement of Magnitudes of Accelerations and Adjustment of the PHM System
1:33
Quantification of Mouse Head-Twitch Response
2:03
Immunohistochemical Analysis of Prefrontal Cortex (PFC) Collected from Euthanized Mouse Brain
3:22
Results: Effect of Treadmill Running and PHM Application in Mouse PFC Neurons
4:37
Conclusion
