APOE-ε4基因与心肺耐力对大学生执行功能和灰质结构的交互影响

【作者】 朱丽娜； 殷恒婵； 陈爱国；

【机构】 扬州大学； 北京师范大学；

【摘要】 研究目的:执行功能(Executive Function,EF)是对其他认知过程进行控制和调节的高级认知过程,是个体实现学习、推理和问题解决等智力活动的重要成分。研究表明,载脂蛋白E(Apolipoprotein E,APOE)基因多态性(Gene polymorphism)是各种神经退行性疾病的高强危险因素,包含6种不同的遗传基因表型,其中,携带APOEε4等位基因的个体是执行功能发生病理性受损的高危人群,其脑的功能活动和结构形态上均表现出异常,即使是年轻群体也存在相同的风险。虽然个体执行功能的发展受到遗传基因的影响,但近年来的研究也初步表明后天环境因素对执行功能发展的影响也不可忽视;当前,探索降低APOEε4基因对执行功能负面影响的有效途径已经成为多学科研究的前沿与热点。心肺耐力是影响个体执行功能发展和脑健康的重要因素。针对老年人和阿尔茨海默症患者的研究发现,较高的心肺耐力可以延缓APOEε4基因对执行功能的负面影响。心肺耐力最有可能与APOEε4基因相互作用从而影响老年执行功能和阿尔茨海默症(Alzheimer's disease, AD)发病风险。然而,相比于老年人,成年早期的APOE ε4基因携带者是否表现出执行功能受损还存在争议,表明生活方式或其他因素可能对AD相关神经病变提供了早期保护作用。然而,APOE ε4基因与心肺耐力是否对成年早期人群执行功能起到交互作用,其潜在的神经机制如何,均不清楚。本研究从基因——环境交互的视角,全面探讨APOEε4基因和心肺耐力对执行功能和脑灰质结构的交互影响,这不仅有助于全面理解心肺耐力在降低APOEε4基因对执行功能负面影响中的作用,为后续将提升心肺耐力作为研发运动方案的干预靶点提供科学依据。研究方法:以190名成年早期的大学生为对象,采用功率自行车递增负荷运动测量最大摄氧量,被试在蹬踏功率自行车(Elmed EGT 1000)进行递增负荷运动,通过Cortex Metalyze R-Ⅱ台式气体代谢分析仪(德国)测算最大摄氧量。采集肘正中静脉血6m1,采用天根生化科技有限公司磁珠法DNA提取试剂盒(血液基因组)提供的试剂及操作步骤抽提DNA,采用multi-ARMS-PCR分析样本的APOE基因型使用Flanker、2-back和More-odd shifting任务评价执行功能的抑制、刷新和转换功能3个子功能。采用结构磁共振技术和基于体素形态学测量(Voxel-based Morphometry)、基于脑区的皮质表面形态学(Region-based Morphometry)分析方法计算灰质体积和皮层厚度。采用两因素(心肺耐力:高、低;APOE-ε4基因:携带、未携带)被试间实验设计,其中,将最大摄氧量的前30%被试设定为高心肺耐力,后30%的被试设定为低心肺耐力,所有被试分为四组:(1)未携带/低心肺组(n=44);(2)未携带/高心肺组(n=43);(3)携带/高心肺组(n=13);和(4)携带/高心肺组(n=13)。研究结果:(1)APOEε4基因与心肺耐力对大学生抑制(F=4.308, partial η2=0.038,p=0.040<0.05)、转换功能(F=4.608, partial η2=0.041, p=0.034<0.05)反应时的交互效应显著,刷新功能反应时的交互效应不显著(F=1.335, partial η2=0.012, p=0.25>0.05)。进一步分析发现,在携带、未携带APOEε4基因大学生中,高心肺耐力组抑制、刷新、转换反应时显著小于低心肺耐力组;在低心肺耐力大学生中,携带APOEε4组抑制、转换反应时显著大于未携带APOEε4组;在高心肺耐力大学生中,携带APOEε4组转换反应时显著小于未携带APOEε4组。(2)心肺耐力与APOEε4基因交互作用显著;在低心肺耐力大学生中,携带APOEε4组的右侧小脑、右侧枕中回、右侧额下回灰质体积显著小于未携带APOEε4组;在高心肺耐力大学生中,携带APOEε4组的右侧顶下小叶灰质体积显著小于未携带APOEε4组;在携带APOEε4基因大学生中,高心肺耐力组右侧顶下小叶灰质体积显著小于低心肺耐力组,右侧枕中回显著大于低心肺耐力组;在未携带APOEε4基因大学生中,高心肺耐力组右侧枕中回灰质体积显著大于低心肺耐力组。(3)APOEε4基因与心肺耐力对皮层厚度交互作用显著;在携带、未携带APOEε4基因大学生中,高心肺耐力组左侧颞上沟皮层厚度均显著小于低心肺耐力组。(4)相关性分析显示,在携带/高心肺组的右侧枕中回和右侧小脑中,抑制功能与灰质体积之间存在显着的负相关。研究结论:携带、未携带APOEε4基因的低心肺耐力大学生均具有更差的抑制、转换功能和脑结构形态特征,携带、未携带APOEε4基因的高心肺耐力大学生均具有更好的抑制、刷新、转换功能和脑结构形态特征,因此,心肺耐力是预防APOEε4基因的重要候选环境指标,高心肺耐力可以选择性地促进携带APOEε4基因大学生的执行功能和脑灰质皮层形态,本研究首次探讨了APOEε4基因与有心肺耐力对大学生执行功能及脑灰质结构的交互影响,揭示了高心肺耐力是降低APOEε4基因对执行功能负面影响中的关键因素,丰富、拓展了有氧运动能力与执行功能领域的研究成果,为及早预测执行功能病理发展动向和防范AD疾病提供新的科学证据。更多还原