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有氧运动通过“脑-心”轴抑制交感神经过度激活改善心肌梗死小鼠心功能

薄文艳 蔡梦昕 田振军*

陕西师范大学 体育学院暨运动生物学研究所

摘 要目的探讨有氧运动改善心肌梗死小鼠心功能的中枢机制。方法C57BL/6J小鼠随机分为假手术组（Sham）、心肌梗死组（MI）、心肌梗死运动组（ME），每组12只；光遗传激活组（ChR2）、光遗传抑制组（eNpHR3.0），每组6只；心肌梗死对照组（MI＋Dio）、心肌梗死＋初级运动皮层（primary motor cortex，M1）区神经元消融组（MI＋taCasp3），每组6只。采用左冠状动脉前降支结扎术制备心肌梗死模型，术后1周对ME组进行6周有氧运动干预。心脏注射伪狂犬病病毒（pseudorabies virus， PRV）逆行跨多突触标记，以解析中枢与心脏的神经通路。通过光遗传激活或抑制初级运动皮层M1区谷氨酸（Glutamate，Glu）能神经元，以及神经元消融技术沉默初级运动皮层M1区Glu能神经元，探究初级运动皮层M1区Glu能神经元对心脏交感神经活动的影响。采用Masson和苏木精-伊红染色评估心脏结构病理变化，心电图检测心率变异性，心动超声评定心功能，试剂盒检测血清去甲肾上腺素（norepinephrine， NE）含量。利用Western blot和免疫荧光检测心脏的交感神经标记物酪氨酸羟化酶（tyrosine hydroxylase， TH）、神经生长因子（neurotrophic factor， NGF）、生长相关蛋白43（growth-associated protein 43， GAP43）的表达，以及M1区神经元裂解型半胱氨酸蛋白酶-3（c-Caspase3）、肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α， TNF-α）、白细胞介素-6（interleukin 6， IL-6）蛋白表达。采用尼氏染色和微管关联蛋白2（microtubule associated protein 2， MAP-2）免疫荧光染色评估神经元损伤。利用电镜观察初级运动皮层M1区神经元超微结构。结果左心室注射PRV 5.5天后在正常小鼠初级运动皮层M1区第五层（L5）观察到大量被标记的神经元。光遗传激活或抑制初级运动皮层M1区Glu能神经元，显著升高或降低心率变异性指标低频和高频功率比值（LF/HF）。与MI＋Dio组比较，MI＋taCsap3组血清NE含量、LF/HF功率比值以及心肌梗死边缘区TH、GAP43和NGF表达显著降低。与Sham组比较，MI组初级运动皮层M1区神经元MAP-2表达降低，Nissl小体密度降低，线粒体出现肿胀、分裂，嵴溶解等超微结构病理改变，c-Caspase3表达显著增加，TNF-α和IL-6表达增加，而有氧运动干预显著逆转该变化。与Sham组比较，MI组LF/HF功率比值显著升高，心肌NGF和TH分布面积、密度以及心肌胶原纤维显著增加，心功能降低，有氧运动干预显著逆转该变化。结论由于支配心脏活动的神经元链与大脑初级运动皮层M1区Glu能神经元存在投射，抑制大脑初级运动皮层M1区Glu能神经元活动，显著改善心肌梗死后交感神经过度激活和心脏恶性重构。有氧运动可显著改善心肌梗死后大脑初级运动皮层M1区神经元损伤，抑制心交感神经恶性重构，改善心功能。提示，聚焦大脑初级运动皮层M1区神经调控与心脏保护，可能为未来研究无创治疗或预防心肌缺血损伤提供新的思路。

关键词有氧运动；“脑-心”轴；心肌梗死；初级运动皮层M1区

自主神经中枢网络通过传出活动调节心功能，是由内侧前额叶皮层、岛叶皮层、杏仁核、边缘系统的终纹床核、下丘脑室旁核、中脑导水管周围灰质和延髓部分核团等支配（ Hu et al.， 2023）。心脏功能障碍导致心脏传入神经重塑，并对中枢神经回路产生不良影响，损害高级中枢功能（ Armour，2004），通过改变“心-脑”轴而影响“脑-心”轴，进一步加重心脏结构和功能损伤（ Silvani et al.， 2016）。心肌梗死（myocardial infarction，MI）后交感神经过度激活是导致心肌梗死心脏结构重塑的关键（ Herring et al.， 2019），也是引起恶性心律失常的重要因素（Kalla et al.， 2016； Thayer et al.， 2010）。即使通过紧急冠状动脉血运重建和药物治疗，恶性心率失常仍然是影响患者预后的高风险因素（Al-Khatib et al.， 2018）。因此，抑制交感神经过度激活对降低心肌梗死患者死亡率，提高生活质量有重要意义。临床研究证实，合理运动是安全有效改善心肌梗死患者心功能的手段之一，规律运动显著减少心肌梗死患者的交感神经传出，提高生存率并减少心脏不良事件发生（ Flynn et al.， 2009；O’Conno et al.， 2009； Wills et al.， 2023），但确切中枢机制尚未完全阐明。

近年来，采用神经病毒示踪技术发现，心脏与初级运动皮层（primary motor cortex， M1）区神经元存在解剖学联系（ Li et al.， 2021），而初级运动皮层M1区与自主运动（ Vitrac et al.， 2017）、运动技能学习（ Levy et al.， 2020）以及控制排尿过程（ Yao et al.， 2018）等有关。大脑皮层下前脑区可通过交感和副交感神经的传出调节心血管功能状态（Tahsili-Fahadan et al.， 2017）。但有氧运动是否通过“脑-心”轴抑制心脏交感神经过度激活，进而对心肌梗死心脏发挥保护作用，以及其中枢靶点如何，尚未明确。因此，本研究通过神经病毒示踪、光遗传操控和神经元消融等技术，操控初级运动皮层M1区谷氨酸（Glutamate，Glu）能神经元，探讨运动改善心肌梗死心功能的中枢机制。

1材料与方法

1.1 实验动物及分组

雄性8～10周龄C57BL/6J小鼠购自陕西师范大学实验动物中心（SCXK（陕）2021-003），饲养室温度为23～26 ℃、明暗周期稳定（光照12 h/黑暗12 h），提供充足可自由摄取的水和食物。小鼠随机分为假手术组（Sham）、心肌梗死手术组（MI）、心肌梗死后有氧运动干预组（ME），每组12只。采用左冠状动脉结扎术（left anterior descending of the coronary artery， LAD）制备小鼠心肌梗死模型，Sham组仅穿线不结扎。

为了验证初级运动皮层M1区Glu能神经元对正常小鼠心交感神经活动的作用，研究将正常小鼠随机分为光遗传激活组（ChR2）和光遗传抑制组（eNpHR3.0），每组6只，利用光遗传技术分别检测光刺激选择性激活或抑制M1区Glu能神经元对小鼠心脏交感神经的影响。

为了进一步验证初级运动皮层M1区Glu能神经元对心肌梗死小鼠心脏交感神经的影响，将心肌梗死小鼠随机分为心肌梗死对照组（MI＋Dio）和心肌梗死后M1区Glu能神经元消融组（MI＋taCasp3），每组6只。病毒表达4周后，检测消融M1区Glu能神经元对心肌梗死小鼠心脏交感神经的影响。

1.2 有氧运动干预方案

ME组小鼠心肌梗死术后恢复1周，随后开始跑台运动。参照文献（ Sonobe et al.， 2015）确定运动方案：第1周以8 m/min每天运动5 min进行适应性跑台运动，之后以12 m/min运动55 min，每周运动5天，共6周。

1.3 心动超声和心率变异性检测

小鼠2.0%异氟烷吸入麻醉后仰卧于手术台，备皮，将小鼠超声探头置于左胸前，获取胸骨旁左心室长轴切面，指标收集包括左心室射血分数（ejection fractions，EF）、左心室短轴缩短率（fractional shortening，FS）、左心室舒张末期内径（left ventricular internal dimension diastolic，LVIDd）、左心室收缩末期内径（left ventricular internal dimension systole，LVIDs）。同时，采用肢体3导联记录心电图，等基线稳定后进行后续光遗传等实验。利用Lab Chart软件分析心率变异性（heart rate variability， HRV），记录低频和高频功率比值（LF/HF）。

1.4 脑立体定位注射

小鼠2.0%异氟烷常规吸入麻醉后置于脑立体定位仪（RWD，深圳）。根据Paxios和Franklin小鼠脑图谱第2版确定双侧M1脑区定位 （AP：-0.70 mm；ML：±1.00 mm；DV：-0.58 mm）。光遗传学神经元激活实验在正常小鼠初级运动皮层M1区双侧注射AAV2/9-CaMKIIα-ChR2-mCherry病毒（50 nL， 2.53×10 12vg/mL），光遗传学神经元抑制实验在正常小鼠初级运动皮层M1区注射AAV2/9-CaMKIIα- eNpHR3.0-EYFP病毒（50 nL， 8.40×10 12vg/mL）。神经元消融实验在心肌梗死小鼠初级运动皮层M1区双侧注射AAV2/8-CaMKIIα-Cre-GFP（40 nL， 2.93×10 12vg/mL）和AAV2/9-EF1α-DIO-taCasp3-TEVp病毒（40 nL， 2.24×10 12vg/mL），MI＋Dio组仅注射AAV2/9-EF1α-DIO-taCasp3-TEVp病毒（80 nL， 2.24×10 12vg/mL）。所有病毒均购于武汉枢密公司，注射速度为40 nL/min，注射完成后将移液管固定在原位停留10 min防止回流。

1.5 伪狂犬病病毒（pseudorabies virus，PRV）逆行跨多突触标记

小鼠2.0%异氟烷常规吸入麻醉后仰卧于手术台，术中以1.5%异氟烷持续麻醉，备皮开胸，在左肋第3～4肋间隙，打开心包膜暴露心脏，将伪狂犬病病毒（PRV-154）（1 μl， 2.00×10 9PFU/mL）注入左心室壁，每侧分3点注射，进针深度为1 mm，5.5天后深度麻醉行安乐死，常规开胸心脏灌流后开颅取脑，常规冰冻切片（厚度为40 µm）。4’‍，‍6-二脒基-2-苯基吲哚（4’‍，‍6-diamidino-2-phenylindole，DAPI）染色后在激光共聚焦下观察摄片。

1.6 光遗传实验

光遗传实验组小鼠病毒注射后第3周，在1.5%异氟烷麻醉下植入光纤（OD = 250 mm， 0.37 NA；Shanghai Fiblaser） （AP， -1.10 mm；ML， ±1.14 mm；DV， -0.58 mm， 10° angle）。植入完成后移除麻醉常规护理，7天后进行光遗传刺激（ Yao et al.， 2018），刺激强度为10 mW，刺激时间为30 s， 光照波长为465 nm/589 nm，频率为20 Hz，脉冲为30 ms。

1.7 心脏苏木精-伊红（ hematoxylin-eosin，HE）染色与Masson染色

取甲醛固定48 h后的心脏，流水冲洗4 h，常规梯度酒精脱水，二甲苯透明，石蜡包埋，连续切片（厚度5 μm）。取石蜡切片经二甲苯常规脱蜡、梯度酒精脱水后，严格按照HE与Masson试剂盒实验步骤染色。常规脱水、透明、中性树胶封片。光学显微镜下观察蓝色胶原纤维或心肌细胞形态。Image Pro Plus软件分析心肌胶原容积百分数（collagen volume fraction %，CVF%）。

1.8 免疫荧光实验

将灌流后的脑组织入4%中性甲醛固定3天，随后入30%糖水待沉底后，OCT包埋，冰冻切片机连续切片（40 μm）。切片用0.1 M PBS洗10 min，0.3% Triton X-100室温孵育20 min，正常山羊血清白蛋白孵育30 min。心脏组织石蜡切片常规脱蜡脱水，0.01 M枸橼酸钠缓冲溶液进行抗原修复10 min，胎牛血清室温孵育1 h。随后孵育一抗NGF（1∶200）、微管相关蛋白2（microtubule associated protein 2， MAP-2） （1∶100）、酪氨酸羟化酶（Tyrosine hydroxylase，TH） （1∶200） ，4 ℃过夜。次日0.01 M PBS洗涤5 min×3次，室温孵育Alexa 488或614偶联的山羊抗兔二抗（1∶2 000）和DAPI （1∶800） 1 h，0.01 M PBS洗涤5 min×3次，荧光显微镜下观察摄片。

1.9 神经元尼氏（Nissl）染色

为了观察初级运动皮层M1区神经元形态，进行Nissl染色。取小鼠M1区冰冻切片室温复温5 min，0.01 M PBS洗涤5 min×3次，Nissl染液染色30 min，0.01 M PBS洗涤5 min×3次，中性树胶封片，光学显微镜下观察Nissl小体摄片。

1.10 小鼠脑电镜制样与初级运动皮层M1区观察

小鼠麻醉条件下颈椎迅速错位安乐死，常规冰浴下快速取脑，切取初级运动皮层M1区新鲜组织（2 mm×2 mm），立即投入冰浴中性甲醛/戊二醛混合固定液内，避光移至4 ℃冰箱固定过夜。次日0.1 M磷酸缓冲液PB（PH7.4）漂洗15 min×3次。1%锇酸避光后固定2 h，PB液漂洗15 min×3次。常规脱水，丙酮︰812包埋剂（1∶2）37 ℃渗透过夜。常规电镜制样包埋，37 ℃过夜，60 ℃聚合48 h，半超薄切片定位，常规超薄切片、铜网捞片，2%醋酸铀/柠檬酸铅溶液双染，室温干燥保存，透射电子显微镜（Hitachi， HT7800/HT7700）下观察，采集图像分析。

1.11 Western blot实验

称取小鼠初级运动皮层M1区或心脏组织，加入裂解液混合物（1∶10），冰浴下匀浆，4 ℃离心取上清，BCA蛋白定量。常规电泳、转膜和封闭，心肌组织孵育一抗：TH （1∶1 000）、生长相关蛋白GAP43（growth associated protein-43， GAP43） （1∶1 000）；脑组织孵育一抗：神经生长因子（national gaucher foundation， NGF） （1∶1 000）、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor-α， TNF-α） （1∶1 000）、白细胞介素‍- 6（interleukin-6， IL-6） （1∶500）、 GAPDH（1∶5 000）， 4 ℃孵育过夜。次日室温复温，TBST清洗5 min×5次，室温摇床孵育山羊抗兔二抗（1∶5 000）2 h，TBST清洗5 min×5次，凝胶成像系统发光成像。

1.12 血清去甲肾上腺素（Norepinephrine，NE）检测

实验小鼠麻醉安乐死后眼眶取血，离心制备上清，严格按照Elabsience试剂盒操作说明检测NE含量。

1.13 数据处理与分析

所有数据采用Kolmogorov-Smirnov进行正态性检验。光遗传实验采用双因素重复测量方差分析，采用Sidak多重比较事后检验。如果数据显示方差异质性，则使用双尾非参数检验。MI＋Dio组和MI＋taCasp3组的组间采用独立样本 t检验分析，其余数据采用单因素方差分析。Western blot结果用Image J软件分析处理，GraphPad Prism 8.0软件绘制直方图。所有数据使用SPSS 20.0软件统计分析，以平均数±标准误 （ M± SEM）表示， P＜0.05为差异具有统计学意义。

2结果

2.1 操控初级运动皮层M1区Glu能神经元影响正常小鼠心脏自主神经活动

为了识别可能调控心脏活动的脑区，通过左心室壁注射PRV-154逆行跨多级突触标记上游神经元（图1a）。在PRV注射5.5天后，发现在大脑初级运动皮层M1区有大量被标记的神经元，且M1区被标记的神经元大量分布在第5层（L5）（图1b）。结果表明，心脏与大脑初级运动皮层M1区L5层神经元存在神经元链联系。

a～b.正常小鼠左心室壁PRV-154病毒注射示意图，初级运动皮层M1 L5神经元的PRV-154荧光标记结果；c～d.正常小鼠初级运动皮层M1区AAV2/9-CaMKIIα-ChR2-mCherry病毒注射示意图，以及病毒在M1区神经元的表达结果；e. LF/HF功率比值统计结果；f～g.正常小鼠初级运动皮层M1区AAV2/9-CaMKIIα-eNpHR3.0-EYFP病毒注射示意图，以及病毒在M1区神经元的表达结果；h. LF/HF功率比值统计结果。M1.大脑初级运动皮层M1区；PRV-154.伪狂犬病病毒，为神经元逆行跨多突触标记物；AAV2/9-CaMKIIα-ChR2-mCherry. 光遗传激活Glu能神经元活性病毒；mCherry. 红色荧光示踪剂；DAPI. 4’，6-二脒基-2-苯基吲哚为细胞核免疫荧光标记物；LF/HF. 低频/高频功率比值，评估交感神经/副交感神经平衡；OFF. 光刺激关闭；ON. 光刺激开始；AAV2/9-CaMKIIα-eNpHR3.0-EYFP. 光遗传抑制Glu能神经元活性病毒；EYFP. 增强型黄绿色荧光蛋白标签。**P＜0.01，下同。

图1激活或抑制初级运动皮层M1区Glu能神经元影响小鼠心脏LF/HF功率比值

Figure 1Activation or Inhibition of M1 Glu Neurons Affects the LF/HF Power Ratio in Mice Hearts

为了进一步探究初级运动皮层M1区 Glu能神经元与心脏的调节关系，在正常小鼠初级运动皮层M1区分别注射AAV2/9-CaMKIIα-ChR2-mCherry病毒和AAV2/9-CaMKIIα-eNpHR3.0-EYFP病毒，特异性激活或抑制M1区Glu神经元（ 图1c、 1d、1f、1g），然后采用心率变异性低频和高频功率比值（LF/HF）评估交感迷走神经平衡。结果发现，ChR2组（激活M1区Glu能神经元活性）与关灯时相比，光照刺激显著增加LF/HF功率比值（ P＜0.01）（ 图1e）；eNpHR3.0组（抑制M1区Glu能神经元活性）与关灯时相比，光照刺激显著降低LF/HF功率比值（ P＜0.01）（ 图1h）。结果表明，操控M1区Glu能神经元显著影响正常小鼠心脏自主神经活动。

2.2 消融初级运动皮层M1区Glu 能神经元改善心肌梗死心交感神经重构

为了探究心肌梗死后初级运动皮层M1区神经元能否影响心功能，在心肌梗死小鼠的左心室注射PRV逆行跨多级突触标记上游神经元（图2a）。结果显示，PRV注射5.5天后，在初级运动皮层M1区L5层观察到被标记的神经元（图2b），表明心肌梗死心脏与初级运动皮层M1区L5层神经元依然存在神经元链联系。

a～b.心梗小鼠左心室壁PRV-154病毒注射示意图，初级运动皮层M1区神经元的PRV-154荧光标记结果；c.心梗小鼠初级运动皮层M1区神经元消融病毒的表达结果；d～e.心梗小鼠心脏NGF免疫荧光结果，NGF阳性神经纤维面积百分比统计结果；f. LF/HF功率比值统计结果；g.血清NE表达含量统计结果；h.心脏TH、GAP43、NGF蛋白表达结果。AAV2/8-CaMKIIα-Cre-GFP＋AAV2/9-EF1α-DIO-taCasp3-TEVp. Glu能神经元消融病毒；TH. 酪氨酸羟化酶；GAP43. 生长因子-43；NGF. 神经生长因子；GAPDH.甘油醛-3-磷酸脱氢酶，为内参标记物。* P＜0.05，** P＜0.01；下同。

图2消融初级运动皮层M1区Glu能神经元抑制心肌梗死小鼠心交感神经过度激活和恶性重塑

Figure 2Ablation of M1 Glu Neurons Inhibits Cardiac Sympathetic Over Sprouting and Malignant Remodeling in Mice with MI

为了评估初级运动皮层M1区L5层Glu能神经元对心肌梗死心交感神经重构的影响，在M1区注射AAV2/8-CaMKIIα-Cre-GFP和AAV2/9-EF1α-DIO-taCasp3-TEVp病毒消融初级运动皮层M1 Glu能神经元（MI＋taCasp3组），对照组仅注射AAV2/9-EF1α‍-DIO-taCasp3-TEVp病毒（MI＋Dio组）（ 图2c）。免疫荧光结果显示，与MI＋Dio组比较，MI＋taCasp3组心脏梗死边缘区NGF密度显著降低（ P＜0.05）（ 图2d、2e），LF/HF功率比值（ P＜0.01）和血清NE含量（ P＜0.05）显著降低（ 图2f、2g）。Western blot结果显示，MI＋taCasp3组梗死边缘区TH（ P＜0.05）、GAP43（ P＜0.05）和NGF（ P＜0.01）表达显著降低（ 图2h）。提示，消融初级运动皮层M1区Glu能神经元显著抑制心肌梗死小鼠心交感神经过度激活和恶性重塑。

2.3 有氧运动显著改善心肌梗死小鼠大脑初级运动皮层M1区的神经元损伤

免疫荧光结果显示，与Sham组比较，MI组初级运动皮层M1区神经元MAP-2表达减少（P＜0.01），Nissl小体数量减少（P＜0.01），提示神经元发生损伤。与MI组比较，ME组初级运动皮层M1区神经元MAP-2表达增加（P＜0.01），Nissl小体数量增多（P＜0.01）（图3a～3d）。大脑皮层M1区神经元电镜观察结果显示，Sham组大脑皮层M1区神经元线粒体边界清晰，线粒体嵴致密。与Sham组比较，MI组M1区神经元线粒体出现肿胀、分裂，嵴溶解等超微结构病理改变。与MI组比较，ME组线粒体超微结构病理改变减轻（图3e）。Western bolt结果显示，与Sham组比较，MI组初级运动皮层M1区神经元凋亡指标c-Caspase3表达显著增加（P＜0.01），炎症指标TNF-α（P＜0.01）和IL-6（P＜0.01）表达增加。与MI组相比，ME组c-Caspase3（P＜0.01）、TNF-α（P＜0.01）和IL-6（P＜0.01）表达显著降低（图3f、3g）。提示，有氧运动显著改善心肌梗死诱导的大脑初级运动皮层M1区的神经元损伤。

a～b.初级运动皮层M1区神经元MAP-2染色代表性图片以及统计结果；c～d.初级运动皮层M1区神经元尼氏染色代表性图片以及统计结果；e.初级运动皮层M1区神经元线粒体电镜结果；f～g.初级运动皮层M1区神经元c-Caspase3、TNF-α、IL-6蛋白表达结果和统计图。MAP-2. 微管相关蛋白2；c-Caspase3. 裂解型半胱氨酸蛋白酶-3；TNF-α. 肿瘤坏死因子-α；IL-6. 白细胞介素-6。

图3有氧运动改善心肌梗死小鼠初级运动皮层M1区神经元损伤

Figure 3Aerobic Exercise Improves M1 Neurons Injury in MI Mice

2.4 有氧运动改善心肌梗死小鼠心脏自主神经失衡

心电图检测结果显示，与Sham组小鼠相比，MI组小鼠心电图ST段升高。与MI组小鼠相比，ME组小鼠心电图ST段降低（图4a）。LF/HF功率比值结果显示，MI组较Sham组显著升高（P＜0.01），而ME组较MI组显著降低（P＜0.01） （图4b）。提示，有氧运动显著抑制心肌梗死后的心交感神经张力增加。免疫荧光结果显示，与Sham组比较，MI组梗死边缘区心肌NGF（P＜0.01）和TH（P＜0.01）阳性神经纤维面积显著增加。与MI组比较，ME组则分别显著降低（P＜0.05，P＜0.05） （图4c～4f）。提示，有氧运动显著改善心肌梗死小鼠交感神经重构。

a.心电图结果 代表性图片；b.LF/HF功率比值统计结果；c～d.心脏NGF染色代表性图片，以及NGF阳性神经纤维面积百分比统计结果；e～f.心脏TH染色代表性图片，以及TH阳性神经纤维面积百分比统计结果。

图4有氧运动显著改善心肌梗死小鼠心交感神经重构

Figure 4Aerobic Exercise Significantly Improves Cardiac Sympathetic Remodeling in MI Mice

2.5 有氧运动显著改善心肌梗死小鼠心脏功能

Masson染色结果显示，心肌纤维呈红色，胶原纤维呈蓝色，细胞核呈深蓝色。与Sham组比较，MI组心肌胶原纤维大量增生，心肌胶原纤维容积百分比（CVF%）显著增加（P＜0.01），梗死区发生心肌纤维化；与MI组比较，ME组CVF%显著降低（P＜0.01） （图5a、5b）。HE染色结果显示，Sham组心肌纤维排列整齐，细胞质丰富均匀，细胞核完整；与Sham组比较，MI组心肌纤维断裂、紊乱，心肌组织水肿明显，出现核消失；与MI组比较，ME组心肌纤维病理变化得到改善（图5c）。心动超声检测结果显示，与Sham组比较，MI小鼠EF（P＜0.01）和FS（P＜0.01）显著降低，LVIDs（P＜0.01）和LVIDd（P＜0.01）显著升高；与MI组相比，ME组EF（P＜0.01）和FS（P＜0.01）显著升高，LVIDs（P＜0.01）和LVIDd（P＜0.01）显著降低（图5d～5h）。提示，有氧运动干预显著改善心肌梗死小鼠心脏功能。

a～b.心脏Masson染色代表性图片和统计结果；c.心脏HE染色代表性图片；d～h.心动超声结果代表性图片，以及EF、FS、LVIDd、LVIDs统计结果。Masson染色，心肌细胞呈红色，胶原纤维呈蓝色，细胞核呈深蓝色；HE染色，心肌纤维和胶原纤维呈红色，细胞核呈深蓝色。CVF%. 心肌胶原纤维容积百分比；EF. 左心室射血分数；FS. 短轴缩短率；LVIDs. 左心室收缩末期内径；LVIDd. 左心室舒张期内径。

图5有氧运动显著改善心肌梗死小鼠心脏功能

Figure 5Aerobic Exercise Significantly Improves Cardiac Function in MI Mice

3分析与讨论

交感神经活动对维持内分泌和心血管稳态至关重要。交感神经过度激活诱导多种疾病发生发展，如高血压和充血性心力衰竭。心肌梗死后交感神经兴奋是维持血流动力学稳定性的关键代偿机制，但长期交感神经过度激活最终导致心力衰竭。尽管左心交感神经去神经支配（ Schwartz et al.， 2022）、迷走神经刺激（ Wang et al.， 2014）、肾交感神经去神经支配（ Yu et al.， 2017）、脊髓刺激（Wang et al.， 2015）和光遗传疗法（Yu et al.， 2017）等神经疗法可以控制心交感神经过度激活，改善心功能，但临床应用仍存在一定困难。探讨心肌梗死后交感神经过度激活的中枢机制至关重要。运动可通过促进突触可塑性、神经发生、血管生成，抑制炎症、氧化应激、自噬和细胞凋亡，产生神经系统保护作用 （Mahalakshmi et al.， 2020）。同时，运动训练可通过抑制交感神经过度激活改善心肌梗死心功能（Chen et al.， 2014）。本研究发现，操控大脑初级运动皮层M1区Glu能神经元，可影响正常小鼠心脏自主神经平衡；抑制该部位Glu能神经元活性，显著改善心肌梗死心交感神经过度激活和恶性重构；心肌梗死可导致初级运动皮层M1区神经元损伤，而有氧运动显著改善该区的神经元损伤，抑制心肌梗死心交感神经恶性重构，改善心功能。

初级运动皮层和皮层下前脑区可通过控制交感神经和副交感神经传出，调节心血管功能 （Tahsili-Fahadan et al.， 2017），但具体机制仍不明确。LF/HF功率比值可用于量化交感/迷走神经平衡度（Oliver et al.， 2023）。电刺激大鼠岛叶皮层可显著激活交感神经，LF/HF功率比值升高（王艺明 等， 2004），但长时间直接电刺激可引发致死性心律失常和猝死（Lacuey et al.， 2016）。本研究发现，激活或抑制初级运动皮层M1区Glu能神经元可升高或降低正常小鼠LF/HF功率比值，表明操控大脑初级运动皮层M1区Glu能神经元，可能通过影响心脏自主神经平衡，调节心血管功能。

心脏与大脑间相互作用具有复杂性，急性神经元损伤可诱发多种心脏病理性变化 （Gopinath et al.， 2018），心肌损伤也可抑制特定脑区的神经元活动（Fiechter et al.， 2019），如心功能障碍可导致心脏传入神经重塑，损害高级中枢的神经元功能，并对中枢环路产生不良影响（Armour et al.， 2004）；再如心衰患者的中风发生率增加，诱发焦虑、认知能力下降和抑郁等症状（Moradi et al.， 2022；Scherbakov et al.， 2018）。心肌损伤通过改变“心-脑”和“脑-心”轴相互作用，进一步损害心脏结构和功能（Silvani et al.， 2016）。心肌梗死后心脏的自主神经失衡，体现为副交感神经抑制和交感神经过度激活现象。TH是交感神经标志物，GAP43和NGF是神经芽生标志物（Cao et al.， 2000；Kiriazis et al.， 2005）。心肌梗死后TH、GAP43和NGF阳性表达显著增加（Chen， et al.， 2014；Zhou et al.， 2004），心肌和血清NE含量增加（Wang et al.， 2022）。有文献报道，心肌梗死后投射到延髓腹外侧核 （rostral ventrolateral medulla， RVLM）的PVN交感神经兴奋性传入增加（Koba et al.， 2020），而心肌梗死后PVN神经元过度激活也介导了室性心律失常和外周交感神经过度激活的发生（Wang et al.， 2022）。分析认为，心肌梗死后梗死区心肌去神经化，梗死边缘区未坏死的神经轴突以芽生方式修复，交感神经不均性过度再生，其分布密度和空间结构紊乱（称为神经重构），并通过“心-脑”和“脑-心”轴相互作用，最终诱发室性心律失常和外周交感神经过度激活。本研究发现，消融M1区Glu能神经元显著降低心肌梗死小鼠血清NE含量，以及心脏TH、NGF和GAP43表达，表明消融M1区Glu能神经元可抑制梗死心脏交感神经重构。众所周知，过度的神经激活可抑制瞬时外向电流和内向整流电流（Ren et al.， 2008），诱发室性心律失常（Billman et al.， 2009）。因此，通过抑制M1区Glu能神经元活性使神经芽生正常化可能能够预防心律失常。

心肌梗死后前额叶神经元出现损伤和功能障碍，Nissl小体显著减少（Feng et al.， 2023；Nie et al， 2023），PVN区炎症和氧化应激水平升高，引起PVN区神经元兴奋和星状神经节重塑，并促进外周炎症浸润，最终导致心交感神经兴奋性增强（Chen et al.， 2020；Poltavski et al.， 2019；Wang et al.， 2019， 2022；Zhang et al.， 2021）。Nissl染色是评估神经元结构和功能的经典方法之一，MAP-2是神经元特异性细胞骨架蛋白，也是神经元损伤的重要标志物（Jones et al.， 2012；Zhou et al.， 2022）。本研究发现，心肌梗死后初级运动皮层M1区神经元Nissl小体减少，MAP-2阳性表达降低，凋亡相关蛋白c-Caspase3表达增加，炎症相关蛋白TNF-α和IL-6表达增多，线粒体超微结构改变，提示心肌梗死可诱导初级运动皮层M1区神经元损伤。运动可以改善心肌梗死心脏功能（Bo et al.， 2021， 2023；Xi et al.， 2023），但其中枢机制尚未完全阐明。有研究表明，心肌梗死患者通过运动干预后，动脉压力反射敏感性和肌肉交感神经活动趋于正常化，自主神经功能障碍得到改善（Martinez et al.， 2011）。有氧运动可通过抑制RVLM氧化应激，抑制外周交感神经兴奋（Koba et al.， 2014），抑制心肌梗死大鼠交感神经芽生，改善心功能（Chen et al.， 2014）。本研究发现，有氧运动干预显著改善心肌梗死后初级运动皮层M1区的神经元损伤，抑制交感神经恶性重构，改善心功能，提示初级运动皮层M1区可能是有氧运动保护缺血心脏的中枢关键靶区。

本研究发现，有氧运动可以通过改善初级运动皮层M1区神经元损伤抑制心肌梗死后心交感神经重构，改善心肌梗死心脏功能，但其中分子机制以及心肌梗死如何导致M1区神经元损伤仍需进一步研究。未来可通过蛋白质组学、单细胞组学等技术筛选心肌梗死导致初级运动皮层M1区神经元损伤的分子靶点，构建基因敲除/过表达小鼠，深入研究其分子机制。此外，初级运动皮层M1区Glu能神经元影响心脏功能的神经环路尚不明确，有待进一步深入研究。

4结论

由于支配心脏活动的神经元链与大脑初级运动皮层M1区L5层的Glu能神经元存在投射，抑制大脑初级运动皮层M1区Glu能神经元活动显著改善心肌梗死后交感神经过度激活和心脏恶性重构。有氧运动可显著改善心肌梗死后大脑初级运动皮层M1区神经元损伤，抑制心交感神经恶性重构，改善心功能（图6）。聚焦大脑初级运动皮层M1区神经调控与心脏保护，可能为未来研究无创治疗或预防心肌缺血损伤提供新的思路。

图6有氧运动改善心肌梗死小鼠心脏功能的潜在中枢机制

Figure 6Potential Central Mechanism of Aerobic Exercise in Improving Cardiac Function in MI Mic

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转载来源：体育总局科研所书刊部

原文制作：金 雪

原文校对：丁 合 高天艾

原文监制：邱剑荣

学会编辑：徐璠奇