次声作用下脑的作用机制

次声作用下脑的作用机制

脑是一个重要的二级声器官，对次声作用非常敏感。生理学、形态学、行为学等研究表明,次声可引起脑内多个部位结构、功能、神经递质代谢等多方面的改变,其作用机制特殊,过程复杂。1garneau次声概述次声是由物体机械振动产生的频率为0.0001—20Hz的声波,其概念最早由法国科学家Gavreau于1966年提出。次声广泛存在于自然界和社会环境中,其频率低,波长大,传播过程中不易被吸收,衰减甚小,传播远,穿透力强,对生物体的作用效应巨大。高强度次声对人体有害,是生产噪声和公共噪声的重要组成部分。2机体的声势以及振动的反应次声对生物体的基本作用原理是生物共振。人体可看作是一系列多支点、多重心的弹簧模型,其各个器官固有频率多在次声频率范围内,如躯体7—13Hz、头部8—12Hz、胸腔4—6Hz、心脏5Hz、腹腔6—9Hz、盆腔6Hz、脊柱10—12Hz,如果各部分间的弹力处于平衡状态,则机体处于正常水平;当机体处于次声声压场时,若其声强达到一定程度就有可能打破这种平衡,使机体的弹性壁进入振动状态,继而传导给内部组织器官,如果某一部件的自身频率接近或符合激发作用的振动频率,它将扩大振幅并继续振动,此即生物共振反应。其产生的效应广泛而复杂,涉及系统、器官、组织、细胞以至分子水平。3第二声对大脑的影响次声引起的各脏器结构与功能损伤中,首要的是脑的损害。脑内多种神经递质的代谢、组织细胞的结构和功能在次声作用下都受到影响。3.1学习记忆脑内海马、颞叶皮质、纹状体等部位在空间学习记忆方面起着重要作用,次声作用可影响这些部位的多种神经递质代谢。3.1.1对脑内质及肌浆网的影响(ryanodinereceptor,RyR)细胞内[Ca2+]i的动态变化在维持神经系统功能方面起着至关重要的作用。近年发现和克隆的RyR是存在于内质网和肌浆网上的钙通道蛋白,其亚型之一RyR3主要分布于脑内,通过影响胞浆内的Ca2+浓度而在学习记忆过程发挥作用。8Hz次声作用一定时间后,可引起SD大鼠海马细胞内[Ca2+]i显著增高和海马CA1及CA3区锥体细胞RyRs表达下调,这种变化可能是次声引起学习记忆功能损害机制中的重要环节。3.1.2学习记忆的敏感化过程5-HT是脑内重要的神经递质,近年研究表明,5-HT通过分布在各处的5-HTR,影响学习记忆的敏感化过程。研究发现8Hz,130dB的次声实验组大鼠颞叶皮质5-HT、5-HTR表达均较对照组减少,提示次声作用后引起的学习记忆功能降低可能与皮质中5-HT、5-HTR的减少有关。3.1.3glu对动物学习和记忆功能的影响Glu属兴奋性氨基酸类神经递质,生理剂量的Glu通过N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体主要起传递信息、学习和记忆等作用。Glu过度释放及其受体的激活可引起神经元持续去极化,干扰神经元的调节机制,表现毒性作用。海马区神经元内Glu含量增加,其兴奋毒性对神经功能的影响可使动物的学习和记忆功能下降。研究发现与对照组比较,8Hz,120dB暴露组和16Hz,120dB暴露组脑组织海马区神经元内Glu含量明显增加,提示次声刺激后动物学习能力的下降与Glu的兴奋毒性有关;8Hz,130dB次声作用7d,可使具兴奋毒性的代谢性谷氨酸受体1亚型(metabotropicglutamatereceptor1,mGluR1)mRNA表达升高;而运用Ⅱ组mGluRs激动剂二碳酸环氧丙基甘氨酸(dicarboxyeclopropylglycine,DCG-IV)则可以通过活化有神经保护作用的Ⅱ组mGluRs而有效地干预8Hz,130dB次声引起的脑损伤。3.1.4纹状体chat的减少中枢胆碱能系统在学习记忆行为中有重要的调节作用。有报道老年痴呆性大鼠空间学习记忆下降与其纹状体的ChAT的减少相关。130dB次声作用后,大鼠ChAT免疫阳性神经元随时间增加而数目减少,且16Hz次声作用对大鼠ChAT阳性神经元减少较8Hz次声作用明显,提示次声作用后引起的学习记忆功能降低可能与纹状体中ChAT的减少有关。3.1.5大鼠海马细胞损害赔偿8Hz,90dB/130dB次声作用一段时间后均可导致海马细胞凋亡数量显著增高,尤以90dB/14d组效应最强,说明次声作用对大鼠海马细胞具有损伤效应,推测90dB次声可能显著上调促凋亡基因或显著下调抑凋亡基因;随作用时间延长,海马细胞对8Hz,90dB/130dB次声作用均可产生适应性。海马细胞的凋亡可能是次声所致人和动物学习记忆功能障碍的原因之一。3.1.6两组大鼠避暗回避实验错误次数比较16HZ,130dB次声作用42d后,采用避暗回避实验观察评估大鼠学习记忆功能的改变,发现与对照组比较,实验组大鼠避暗回避实验错误次数明显增多,较难习得避暗经验;即使习得,也未能形成较为巩固的记忆;8Hz,130dB次声作用14d后,小鼠水迷宫潜伏期明显延长,说明小鼠空间记忆能力受损。3.2脑损伤主要指标gfap表达的变化3.2.1HSP70HSP70家族是一种最能反映细胞或机体应付不良环境因素的能力的热休克蛋白。SD大鼠接受频率为8Hz和16Hz,声压为90dB和120dB次声作用一段时间后,发现下丘脑、边缘系统、听觉中枢、皮质、海马等脑区出现HSP70阳性神经元,且随次声频率增高、声压增强及作用次数增加,其数目增多,提示这些核团均发生了应激反应。3.2.2胶质纤维酸性蛋白(GFAP)星形胶质细胞内GFAP含量增加是脑损伤时的生化标志之一。16Hz,90dB和130dB的次声作用后,发现小鼠脑内GFAP表达的增强与次声声压级、作用时间呈正相关。GFAP在海马、皮质、扣带回、下丘脑室旁核和视上核等脑区的表达明显多于其它区域。3.2.3c-fos与促肾上腺皮质激素释放因子(corticotropin-releasingfactor,CRF)原癌基因c-fos是反映神经细胞功能活动的敏感指标,与CRF在应激反应的启动和维持过程中有着相互激活、相互促进的作用。8Hz,120dB次声作用后0.5hc-fos与CRFmRNA均开始明显表达,随时间延长,表达逐渐增强,分别于2h和3h达高峰,表明次声引起应激反应的中枢机制可能是次声首先激活c-fos,之后激活CRF,促使CRF大量产生、释放并进入垂体门脉系统,引起垂体释放ACTH,进而导致应激反应。3.2.4白介素-6(interleukin-6,IL-6)IL-6被认为在中枢神经系统具有神经保护和神经营养作用,是一种与脑损伤和损伤修复过程相关的重要前炎症细胞因子。16Hz,90dB/130dB次声作用后小鼠海马区域的IL-6和IL-6mRNA含量明显增多,提示次声作用后脑组织有损害。3.3大鼠脑皮质组织mda含量的变化谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)是体内重要的抗氧化酶,8Hz,130dB次声作用于大鼠后,大脑皮质GSH-Px活性较对照组增强,且随作用时间的延长,特别是作用2周后,与对照组比较活性明显增强(P<0.05),表明大鼠大脑皮质消除脂质过氧化物的能力增强,抑制了自由基引起的脂质过氧化反应,使机体受到保护。丙二醛(MDA)是脂质过氧化反应的最终产物,是氧化损伤的标志。次声作用初期(14d内),大鼠脑皮质组织MDA含量较对照组明显升高,提示氧化损伤较严重;随次声作用延长,到21、28d后MDA含量下降到对照组水平(P>0.05),说明脑组织此时对次声作用已经产生适应,GSH-Px活性的增加可能是这种适应过程的机制之一。3.4超微结构的变化3.4.1透射电镜观察SD大鼠在8Hz,130dB次声环境下,每日暴露1次,每次2h,分为7、14、21和28d组。透射电镜下可观察到脑损伤以变性改变为主:神经元细胞固缩,染色质边集,胞质内可见脂褐素颗粒;胶质细胞肿胀,出现卫星现象;线粒体肿胀;突触结构异常;有髓神经纤维广泛变性,形成空泡。早期随作用时间延长损伤逐渐加重,后期损伤有一定的恢复。3.4.2透射电镜观察海马结构受损主要表现8Hz,90dB及130dB次声环境下大鼠暴露一定时间,透射电镜观察发现次声引起海马结构受损,主要表现为神经元、神经胶质细胞的线粒体、内质网出现水肿,溶酶体及脂褐素增多;血管内皮细胞水肿。早期随作用时间延长损伤逐渐加重,后期损伤有一定的恢复。3.4.3bcb通性脑水肿8Hz,120dB的次声作用一段时间后,发现大鼠脑组织中BBB紧密连接开放,血管基膜外以至组织间隙内存在硝酸镧颗粒。推测次声可造成BBB通透性改变,进而引起血管源性脑水肿。这是次声导致脑损害的关键因素之一。3.5次声作用可引起动物脑电活动的抑制将新西兰白兔分别暴露于频率为16Hz,130dB的次声场内20min,采用EEGHolter