文献精读 | mTOR信号通路：体育锻炼改善运动学习能力的“核心机制”

体育锻炼一直被认为有益于身心健康，尤其有氧运动已被证明能够促进相关脑区活动，从而使人们获得或者维持复杂的运动的能力，然而该过程具体机制尚不清楚。在前人的文献研究中，人们发现运动能够促进脑中BDNF的表达以稳定体觉皮层树突棘，最终影响工作记忆。mTOR（雷帕霉素靶蛋白）是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，可以被BDNF潜在性地激活，并且mTOR在树突棘形成、轴突再生以及突触传递等方面的重要作用已被多次报道。近年来，也有越来越多的证据表明，外周组织的mTOR信号通路在运动后被激活，但如何具体发挥作用还不清楚。因此，在本文中作者从离体与在体两个层面探索小鼠在长期锻炼后大脑中mTOR信号通路产生的具体影响及其机制。

作者令4周大的C57雄鼠连续21天每天跑步1小时。在结束21天锻炼后，检测小鼠运动皮质中成熟BDNF及其受体Trkb的表达量。实验发现以上两者在运动组Runner小鼠中表达均较对照组Nonrunner上调，印证了前人文献中BDNF参与影响运动相关脑区功能的观点。mTOR作为调控树突棘可塑性的重要因素和BDNF/Trkb的下游靶点，在Runner小鼠运动皮质区中，mTOR核心蛋白磷酸化水平同样出现增高，其下游效应器——核糖体蛋白S6和4E-BP2也出现了信号通路被激活后的相应变化。此外，mTOR-S6信号通路被报道能促进突触形成以增强突触传递功能，实验中也发现PSD95和SNAP24在Runner组明显表达上调；在电镜下观察PSDs的长度和厚度也增加了。综上，作者认为长期锻炼激活了脑中mTOR信号通路，促进了突触形成

小鼠大脑中运动皮质第五层锥体神经元（L5PRN）通过对侧或皮层下投射向运动系统进行兴奋性输出，并且在运动学习后其树突棘具有较高的可塑性，因此作者将L5PRN作为检测对象。在小鼠结束21天锻炼后，利用全细胞膜片钳技术记录离体脑片中L5PRN的电生理活动发现，Runner小鼠脑片中L5PRN的mEPSC幅度较Nonrunner小鼠显著增强，并与mTOR激活程度相关，而mEPSC的频率没有发生改变，说明mTOR激活仅增强了突触后膜的应答而没有改变突触前膜的递质释放。因此以上实验结果说明长期锻炼能通过有效地激活mTOR信号增强小鼠运动皮质中L5PRN的突触传递功能。

在第二部分的离体实验中， Runner小鼠脑中L5PRN突触传递作用增强，在体内是否也如此？作者使用c-fos 和Arc作为标志物，在21天锻炼之后，Runner小鼠运动皮质中第II/III层和第V层锥体神经元c-fos和Arc阳性细胞比例较Nonrunner小鼠增加，说明神经元的活动增多。为进一步证明，作者在小鼠运动皮质L5PRN区域注射AAV-GCaMP6以观察清醒小鼠脑中钙活动。在Runner小鼠脑中产生的钙瞬变峰值增加了，但发生钙瞬变的细胞总数目未有变化。此外，作者同样利用抑制剂雷帕霉素逆转了钙瞬变峰值增加的现象，这证明以上钙活动变化为mTOR激活后产生的。因此，体内外实验均表明，长期锻炼能通过激活mTOR 信号通路促进皮质中突触传递功能，增强神经元活动。

轴突的髓鞘化是大脑神经网络进行信息传递时必不可少的过程。在前几部分研究中，作者证实了锻炼能激活皮质中mTOR信号通路以增强神经元活动。那么该过程是否影响了髓鞘形成？作者首先检测了大脑内侧胼胝体中（L5PRN通过胼胝体发出投射纤维）髓磷脂碱性蛋白的密度，发现Runner小鼠脑中该部位密度有显著的增加，且在电镜下可见髓鞘增厚。经过计算神经元轴突周长与髓鞘周长的比值，提示Runner小鼠脑中髓鞘形成增强。以上髓鞘形成相关变化均能被抑制剂雷帕霉素消除。

髓鞘是由少突胶质细胞（OLs）构成的，而OLs是通过少突胶质祖细胞（OPCs）分化产生。作者在小鼠21天锻炼时间段的最后5天连续注射BrdU以标记新生的细胞，实验结果显示Runner小鼠的胼胝体区域出现了更多的BrdU阳性细胞，免疫荧光染色确认了这些细胞身份为Oligo2+少突胶质细胞。进一步实验显示与Nonrunner小鼠相比，Runner小鼠胼胝体中OPCs增多且成熟的OLs也增多，说明OPCs的增殖和分化均增强，但在Runner中注射雷帕霉素后，该现象被逆转，OPCs增殖分化与对照组Nonrunner小鼠无异。

综上说明，锻炼通过激活mTOR信号通路增强了少突胶质祖细胞的增殖和分化能力，进而促进了轴突髓鞘化过程。

前期研究证实Runner小鼠大脑中神经元活动和轴突髓鞘化增强，那么相关的运动学习能力是否也得到了改善？单次的运动学习任务能够促进树突棘的形成，表明树突棘可能是运动记忆形成的结构基础。因此作者通过Thy1-YFP转基因小鼠观察L5PRN树突棘的形成。在长期锻炼后，L5PRN树突棘的重塑和形成率增高，但未影响树突棘脱落或消失的发生；电镜下Runner组小鼠运动皮质区域中突触密度也有所增加。综上，锻炼促进了大脑运动皮质中树突棘的形成，雷帕霉素则能逆转这种效应而对基本的树突棘形成不产生影响。

长期锻炼促进了树突棘的形成、增强了皮质神经元活动、强化了轴突的髓鞘形成，小鼠的运动技能学习能力是否也有所增强？在小鼠结束21天的锻炼后，作者利用加速旋转运动试验进行了检测。加速旋转实验第一天为适应阶段，第二三天为测试阶段。在第一天适应期中，但各组小鼠表现并未有明显差异，说明运动带来肌肉增强效应微弱；在第二天、第三天测试中，Runner小鼠的运动表现则明显优于Nonrunner小鼠，且在Runner小鼠被给予雷帕霉素注射后这种优势消失了。综上总结，长期运动锻炼能够激活mTOR信号通路，从而引起运动皮质神经网络发生重构，包括强化突触形成和突触传递、增加神经元活动和轴突髓鞘化，而这些变化都有助于更好地改善运动学习能力。

本研究首次在体内证明，体锻能通过激活mTOR信号通路强化突触形成和突触传递、增加神经元活动和轴突髓鞘化来改善运动学习能力。尽管在此前有许多研究报道运动对大脑学习和记忆功能的益处，但除了BDNF外，其他相关分子机制知之甚少。本研究成果揭示了关键的细胞内分子机制，明确了认知功能与体育锻炼之间的关系，揭示了在长期运动后，mTOR信号通路在大脑神经网络结构和功能的适应性调节中的核心作用。