본문 바로가기
KERD
논문KCI 등재

저항성 운동이 노화 흰쥐 해마 및 소뇌의 신경가소성 인자 발현 및 미세구조와 신경학적 기능에 미치는 영향

Effects of Resistance Exercise on Synaptic Plasticity Factor, Ultrastructural and Neurologic-Function in Hippocampus and Cerebellum of Aging Rats

윤진환|김종오
한국운동생리학회|2014.08|운동과학 (Exercise Science)|제23권 제3호|pp. 217-228|DOI 10.15857/ksep.2014.23.3.217

0

조회

0

다운로드

9

인용

0

참고문헌

키워드

노화Aging해마hippocampus소뇌저항성 운동cerebellum연접 가소성인자resistance training(tower climbing)synaptic plasticity factor

초록

본 연구는 노화로 인해 나타나는 기억력 감소와 균형감각의 저하를 저항성 운동이 지연시킬 수 있는지와 그 기전을 밝힘으로써, 노인운동처방학적 운동기전을 제시하고자 하는데 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해 노화 흰쥐를 대상으로 tower climbing 운동을 12주간 실시한 후 신경기능학적 향상, 신경가소성 인자인 BDNF, TrkB의 발현 증가와 시냅스관련 단백질인 synapsin I의 발현을 유도할 수 있는 지와 해마의 연접형성수준의 증가에 어떠한 영향을 미치는 지를 확인하고자 하였다. 본 연구에 이용된 실험동물은 Sprague-Dawley 계열의 노화 흰쥐 72주령 수컷과 대조군으로 10주령 수컷이 이용되었으며, 이들은 실험 전 일주일 동안 운동 환경에 대한 적응기간을 거친 후, 무작위 표본추출에 의하여 노화 쥐는 노화 대조군(aging control group, ACG; n=15)과 노화 운동군(aging and exercise-trained group, AEG; n=15)으로 분류되었고, 10주령의 정상 대조군(normal control group, NCG; n=15)이 비교군으로 이용되었다. 저항성 운동은 tower climbing protocol을 이용하여 1일 약 30분씩 3회(09시, 14시, 20시) 12주 동안 훈련시켰다. 공간학습과 기억력과 균형감각과 신경학적 기능평가는 Morris water maze와 balance beam 검사가 이용되었고, BDNF, TrkB와 synapsin I과 같은 단백질 분석은 Western blotting 방법이 이용되었다. 또한, 해마부위 연접형성수준의 변화는 투과전자현미경(TEM)적 관찰을 통해 확인하였다. 그 결과 본 연구에 수행된 저항성 운동인 tower climbing 운동의 12주간 훈련은 노화로 인해 해마, 소뇌 부위의 신경 및 연접가소성인자 감소로 인해 저하된 공간학습기억능력과 평형감각기능을 지연시키는데 효과적인 운동임을 확인할 수 있었던 연구이다.

Abstract

Aging results in cognitive and balance decline both in humans and animals. Neurogenesis in the hippocampus and cerebellum also declines with age. Traditionally, exercise has been used for the treatment of several neuro degenerative disorders. Thus, the purpose of this study was to investigate the effects of resistance exercise on spatial learning memory ability, the synapses and the synaptic-plasticity neurotrophic factor in hippocampus and cerebellum in aged-rats. The experimental animals were divided into three groups (n=15 in each group): the normal control group (NCG), the aging control group (ACG), the aging and exercise-trained group (AEG). Animals in the exercise group were performed to daily exercise on the tower climbing during 12 weeks. The spatial learning and memory capability was evaluated by Morris water maze in a separate set of rats. Also, the balance function was evaluated by Balance beam test. Western blotting analysis for the expression of BDNF, TrkB and synapsin I was performed. Electron microscopy were used to evaluate synaptic plasticity and quantitative electron microscopy was used to investigate morphological changes in the hippocampus. Measurements taken from analysis of the electron micrograph sets were used to calculate the spine synapses in hippocampus. Here in this study, it have shown that both synaptic-plasticity neurotrophic factor expression and spine synapses were suppressed in aged-rat, whereas tower climbing exercise alleviated the aging-induced suppression of both synaptic-plasticity neurotrophic factor expression and spine synapses in the hippocampus of rats. The results of the present study indicate that tower climbing exercise may facilitate recovery from the CNS complications associated with aging by inducing enhanced the morphological development of synapses in the hippocampus via the augmentation of synaptic-plasticity neurotrophic factor expression in the hippocampus and the cerebellum.

참고문헌 (50)

  1. 김종오, "노화흰쥐의 척수좌상 후 운동이 축삭재생, NT-3, MBP 발현과 기능적 회복에 미치는 영향", 한국생활환경학회지, 17(4), pp.467~476 (2010), 한국생활환경학회
  2. 서태범, "외상성 뇌 손상 후 운동에 의해 활성화된 BDNF-ERK 신호전달 경로가 소뇌에서 발생된 퍼킨제 세포 사멸과 astrogliosis에 미치는 역할 규명", 운동과학, 21(2), pp.255~262 (2012), 한국운동생리학회[DOI]
  3. 어수주, "노화 쥐 해마 CA1에서의 운동을 통한 BDNF 발현 유도 및 PI3K", AKT에 의한 synaptic 단백질 발현, 2012, pp.21(1), 131~140[DOI]
  4. 윤진환, "트레드밀 운동에 의한 MAPK 관련 전사인자 활성화가 축삭 재생과 탈신경된 가자미근의 비대에 미치는 효과", 운동과학, 19(2), pp.105~114 (2010), 한국운동생리학회
  5. 이희혁, "운동강도가 ICV STZ 투여로 유발된 기억력 손상흰쥐에서 해마신경세포 생성과 BDNF 발현에 미치는 영향", 운동과학, 18(4), pp.475~488 (2009)
  6. 정일규, "운동훈련이 당뇨유발 흰쥐 뇌의 해마에서 GLUT 1과 GLUT 3 단백질 발현에 미치는 영향", 한국체육학회지, 46(2), pp.359~367 (2007), 한국체육학회
  7. Baker, L. D., "Effects of aerobic exercise on mild cognitive impairment: a controlled trial", Arch. Neurol, 67(1), pp.71~79 (2010)
  8. Bibel, M., "Neurotrophins: key regulators of cell fate and cell shape in the vertebrate nervous system", Genes and Development, 14(23), pp.2919~2937 (2000)
  9. Bickford, P. C., "GDNF improves cerebellar Purkinje neuron function in aged F344 rats", Microsc. Res. Tech, 54(5), pp.309~316 (2001)
  10. Briones, T. L., "Changes in number of synapses and mitochondria in presynaptic terminals in the dentate gyrus following cerebral ischemia and rehabilitation training", Brain Res, 1033(1), pp.51~57 (2005)
  11. Burke, S. N., "Neural plasticity in the ageing brain", Nat. Rev. Neurosci, 7(1), pp.30~40 (2006)
  12. Chakravarthy, M. V., "IGF-I restores satellite cell proliferative potential in immobilized old skeletal muscle", J. Appl. Physiol, 89(4), pp.1365~1379 (2000)
  13. Chen, G., "A learning deficit related to age and beta-amyloid plaques in a mouse model of Alzheimer's disease", Nature, 408(6815), pp.975~979 (2000)
  14. Cuell, S. F., "Changes in attention to relevant and irrelevant stimuli during spatial learning", Journal Exp. Psychol. Anim. Behav. Process, 5(1), pp.21~28 (2012)
  15. Erickson, K. I., "The aging hippocampus: interactions between exercise, depression, and BDNF", Neuroscientist, 29(1), pp.1~16 (2011)
  16. Erschbamer, M. K., "Neither environmental enrichment nor voluntary wheel running enhances recovery from incomplete spinal cord injury in rats", Experimental Neurology, 201(1), pp.154~164 (2006)
  17. Farmer, J., "Effects of voluntary exercise on synaptic plasticity and gene expression in the dentate gyrus of adult male Sprague-Dawley rats in vivo", Neuroscience, 124(1), pp.71~79 (2004)
  18. Fordyce, D. E., "Enhancement of spatial learning in F344 rats by physical activity and related learning-associated alterations in hippocampal and cortical cholinergic functioning", Behav. Brain Res, 46(2), pp.123~133 (1991)
  19. Fuss, J., "Voluntary exercise induces anxietylike behavior in adult C57BL", 6J mice correlating with hippocampal neurogenesis, 2010, pp.20(3), 364~376
  20. Goekint, M., "Strength training does not influence serum brain-derived neurotrophic factor", Eur. J. Appl. Physiol, 110(1), pp.285~293 (2010)
  21. Greengard, P., "Synaptic vesicle phosphoproteins and regulation of synaptic function", Science, 259(5), pp.780~785 (1993)
  22. He, X., "Cdk5", p35 is required for motor coordination and cerebellar plasticity, 2014, ~
  23. Holtzer, R., "Neuroimaging of mobility in aging: a targeted review", J. Gerontol. A Biol. Sci. Med. Sci (2014)[DOI]
  24. Hutchinson, K. J., "Three exercise paradigms differentially improve sensory recovery after spinal cord contusion in rats", Brain, 127(1), pp.1403~1414 (2004)
  25. Klintsova, A. Y., "Synaptic plasticity in cortical systems", Curr. Opin. Neurobiol, 9(2), pp.203~208 (1999)
  26. Kramer, A. F., "Ageing, fitness and neurocognitive function", Nature, 400(1), pp.418~419 (1999)
  27. Lee, S. H., "Viral expression of insulin-like growth factor-I enhances muscle hypertrophy in resistance-trained rats", J. Appl. Physiol, 96(1), pp.1097~1104 (2004)
  28. Lewin, G. R., "Maintenance of modality-specific connections in the spinal cord after neonatal nerve growth factor deprivation", Eur. J. Neurosci, 8(8), pp.1677~1684 (1996)
  29. Liu, P., "Glutamate receptor subunits expression in memory-associated brain structures: regional variations and effects of aging", Synapse, 62(11), pp.834~841 (2008)
  30. Long, L. H., "Age-related synaptic changes in the CA1 stratum radiatum and spatial learning impairment in rats", Clin. Exp. Pharmacol. Physiol, 36(7), pp.675~681 (2008)
  31. Marcell, T. J., "Sarcopenia: causes, consequences, and preventions", J. Gerontol. A. Biol. Sci. Med. Sci, 58(10), pp.911~916 (2003)
  32. Mattson, M. P., "Neuroprotective signaling and the aging brain: take away my food and let me run", Brain Res, 886(1), pp.47~53 (2000)
  33. McAllister, A. K., "Neurotrophins and synaptic plasticity", Annu. Rev. Neurosci, 22(1), pp.295~318 (1999)
  34. Morris, R., "Developments of a water-maze procedure for studying spatial learning in the rat", J. Neurosci. Methods, 11(1), pp.47~60 (1984)
  35. Notomi, T., "Effects of tower climbing exercise on bone mass, strength, and turnover in orchidectomized growing rats", J. Appl. Physiol, 93(3), pp.1152~1158 (2002)
  36. Puurunen, K., "An alpha(2)-adrenergic antagonist, atipamezole, facilitates behavioral recovery after focal cerebral ischemia in rats", Neuropharmacology, 40(4), pp.597~606 (2001)
  37. Rex, C. S., "Restoration of long-term potentiation in middle-aged hippocampus after induction of brainderived neurotrophic factor", J. Neurophysio, 96(1), pp.677~685 (2006)
  38. Rowe, W. B., "Neurotensin receptor levels as a function of brain aging and cognitive performance in the Morris water maze task in the rat", Peptides, 27(10), pp.2415~2423 (2007)
  39. Sandri, M., "Foxo transcription factors induce the atrophy-related ubiquitin ligase atrogin-1 and cause skeletal muscle atrophy", Cell, 117(3), pp.399~412 (2004)
  40. Sehm, B., "Structural brain plasticity in Parkinson's disease induced by balance training", Neurobiol. Aging, 35(1), pp.232~239 (2014)
  41. 서한길, "Early Motor Balance and Coordination Training Increased Synaptophysin in Subcortical Regions of the Ischemic Rat Brain", Journal of Korean Medical Science, 25(11), pp.1638~1645 (2010), 대한의학회
  42. Shi, L., "Differential effects of aging and insulin-like growth factor-1 on synapses in CA1 of rat hippocampus", Cereb. Cortex, 15(5), pp.571~577 (2005)
  43. Silhol, M., "Age-related changes in brain-derived neurotrophic factor and tyrosine kinase receptor isoforms in the hippocampus and hypothalamus in male rats", Neuroscience, 132(1), pp.613~624 (2005)
  44. Tapia-Arancibia, L., "New insights into brain BDNF function in normal aging and Alzheimer disease", Brain Res. Rev, 59(1), pp.201~220 (2008)
  45. Van Praag, H., "Running increases cell proliferation and neurogenesis in the adult mouse dentate gyrus", Nat. Neurosci, 2(3), pp.266~270 (1999)
  46. Van Praag, H., "Exercise enhances learning and hippocampal neurogenesis in aged mice", J. Neurosci, 25(1), pp.8680~8685 (2005)
  47. Vanguilder, H. D., "Hippocampal dysregulation of synaptic plasticity-associated proteins with age-related cognitive decline", Neurobiol. Dis, 43(1), pp.201~212 (2011)
  48. Vaynman, S., "Hippocampal BDNF mediates the efficacy of exercise on synaptic plasticity and cognition", Eur. J. Neurosci, 20(1), pp.2580~2590 (2004)
  49. Zahr, N. M., "In vivo glutamate measured with magnetic resonance spectroscopy: behavioral correlates in aging", Neurobiol. Aging, 34(4), pp.1265~1276 (2013)
  50. Zoladz, J. A., "Endurance training increases plasma brain-derived neurotrophic factor concentration in young healthy men", J. Physiol. Pharmacol, 59(1), pp.119~132 (2008)

관련 논문AI추천

노화 쥐 해마 CA1에서의 운동을 통한 BDNF 발현 유도 및 PI3K/AKT에 의한 synaptic 단백질 발현김동문, 어수주, 임예현한국운동생리학회 · 운동과학2012 · 제21권 제1호규칙적인 운동이 성인 백서 해마 치상회에서 신경세포의 Dendritic Lengths 및 SynapsinⅠ 수준에 미치는 영향김현태, 이효철국민체육진흥공단 한국스포츠과학원 · 체육과학연구2012 · 제23권 제4호뇌 타박 손상 후 해마에서 신경세포 생성 및 신경가소성 조절 단백질 발현에 미치는 운동 기간에 따른 효과백일영, 서태범, 윤진환, 장문녀국민체육진흥공단 한국스포츠과학원 · 체육과학연구2011 · 제22권 제3호Effects of Resistance Exercise on mRNA Expression of Brain Neuroplasticity Related Factors in Hippocampus and Cognitive Function in Ovariectomized Rats김경래, 박동선, 윤은정뇌·AI기반교육연구소 · Brain, Digital, & Learning2021 · 제11권 제4호트레드밀 운동이 고지방식으로 유도된 알츠하이머 치매 마우스에서 인슐린 수용체, 산화 스트레스 및 시냅스 가소성 장애에 미치는 효과김동현한국운동생리학회 · 운동과학2018 · 제27권 제3호중강도 운동이 고지방식을 유도한 알츠하이머 치매 마우스의 시냅스 소포체 및 항산화 효소 발현에 미치는 영향김동현, 김인재한국운동생리학회 · 운동과학2020 · 제29권 제2호

이 간행물의 다른 논문 (5건)

야외운동기구를 이용한 운동프로그램이 노인들의 활동체력, 대사증후군 위험인자 및 염증인자에 미치는 영향김종식, 양상훈pp. 229-240좌업 시간과 알코올 섭취가 30대 남자 사무직 근로자의 혈압과 혈관탄성에 미치는 영향이인녕, 조봉오, 장창현, 정균근pp. 241-248The Role of Phospholipase C Beta in Fatty Acid Induced AMPK Signaling During Exercise문효열pp. 249-256크레아틴-중탄산나트륨의 복합투여가 암-에르고미터 운동수행력에 미치는 영향이철원pp. 257-266가상화재상황의 초고층 건물 진입에 따른 소방공무원의 생리학적 반응유동훈pp. 267-274
원문 보기