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1、1咖啡因对小鼠空间学习记忆及体重的影 响作者：陆梦，张莉 2，丁雪瑞，向俊西，刘洋，姜伊娜，冯诚，董欣，刘健【摘要】 目的 研究不同浓度咖啡因对成年雄性小鼠体重及学习记忆的影响。方法 应用 Morris 水迷宫行为学实验方法，训练前给予不同浓度咖啡因(5、10、15mg/kg)灌胃，检测小鼠寻找站台的潜伏期、游泳的运动距离和游泳速度，并于第 6 天及第 12 天对小鼠进行空间搜索实验，以检验小鼠的空间记忆。每日灌胃前对每只小鼠称重并记录其体重。结果 各组小鼠 Morris 水迷宫检测中潜伏期、运动距离、游泳速度和穿越原站台平均次数的比较均无统计学差异。各组小鼠在实验全过程中和运动期间的体重变化
2、无统计学差异，但空白对照组在实验全过程中与咖啡因小剂量组相比，体重增加明显;4 组小鼠在未运动期间的体重变化有统计学差异，其中咖啡因小剂量组和大剂量组分别与空白对照组比较，体重增加明显减缓，有统计学差异。结论 实验前给予咖啡因对小鼠空间学习以及记忆能力没有影响。单独给予咖啡因而不进行额外运动，咖啡因能够明显地控制体重增长。 【关键词】 空间学习记忆;Morris 水迷宫;体重;咖啡因咖啡因(caffeine)存在于咖啡、绿茶等多种饮料中，作为一种心理刺激药物被人们广泛消费1。咖啡因是从茶叶、咖啡果中提炼出来的一种生物碱，其基本化学结构含有甲基黄嘌呤类成分，是一种中枢神经系统兴奋剂，也是新陈代谢
3、的刺激剂，可通过增加血浆游离脂肪酸的浓度，促进脂肪分解2。因此，研究咖啡因对体重的影响程度，对人们的日常饮食及体重控制有一定指导意义。同时，由于咖啡因2对于中枢神经系统具有一定的兴奋作用，故本研究还将探究摄入不同剂量的咖啡因对于小鼠的空间学习记忆的影响。1 材料与方法1.1 实验动物及分组 清洁级健康成年雄性昆明小鼠 34 只，体重 1822g，由西安交通大学医学院实验动物中心提供。小鼠在 12/12h 明/暗交替的环境中饲养，自由取食及饮水。动物随机分为 4 组：空白对照组(n=10)、小剂量咖啡因组(5mg/kg，n=8)、中剂量咖啡因组(10mg/kg，n=8)和大剂量咖啡因组(15mg
4、/kg，n=8)。咖啡因溶解于生理盐水，以 0.2mL/10g 体重于每日 Morris 水迷宫训练前3045min 灌胃给予。1.2 主要试剂与仪器 咖啡因(Sigma 公司);Morris 水迷宫和 Morris 动物行为实验软件(成都泰盟科技有限公司)。1.3 方法1.3.1 Morris 水迷宫训练 本实验所用 Morris 水迷宫是由圆形水池、平台和记录系统 3 部分组成。圆形水池直径 100cm、高 50cm，池壁上以 4 个等距离点将其分为 4 个象限。在某一象限中央放置一圆形白色站台，高 34cm、直径 8cm，站台位于水面下 2cm。实验过程中站台位置固定不变。池中水温控制在
5、(221)。摄像机头安装在水池正上方约 1m 处。小鼠运动轨迹及测试结果的显示和处理均采用成都泰盟科技有限公司开发的动物行为学软件。动物的训练采取定向航行实验。记录小鼠从投入水池至爬上站台(停留时间3s)的时间，此为定位航行实验逃避潜伏期。还记录小鼠游泳速度以及从入水3点到找到站台时的游泳距离。4 组动物均连续训练 5d，每天训练 4 次，均在灌胃3045min 后进行。每天 4 次训练逃避潜伏期的平均数作为当天的成绩进行统计分析。每次观察时间为 60s，如果在 60s 内动物未能找到站台，则由实验者将其引导至站台，并在站台上停留 10s，潜伏期记为 60s。每两次训练间的最短时间间隔为 10
6、min。1.3.2 记忆的检测 记忆的检测采用空间搜索实验。第 6 天撤除站台，各组灌胃相应药物 3045min 后，检测小鼠在池中的游泳路线以及 60s 内穿越原站台所在位置的次数。第 12 天再次对小鼠进行空间搜索实验，实验方法同前。1.3.3 体重的检测 实验期间，每日实验前对小鼠进行称重并记录。1.4 统计学分析 所有数据以(s)表示。各组间潜伏期和体重的比较采用广义线性模型 重复测量数据方差分析;各组间穿越站台次数的比较采用单因素方差分析(one way ANOVA)，并进行 Tukey s HSD 检验。以 P0.05 为差异有统计学意义。2 结 果2.1 各组小鼠空间学习能力的比
7、较2.1.1 定向航行实验中潜伏期的比较 所有动物在测试中，随着训练天数的增加，在水中逃逸、寻找平台的潜伏期越来越短，整个曲线呈下降趋势，直至达到稳定水平(图 1A)。各组小鼠定向航行实验中潜伏期的比较无统计学差异F(3,30)=1.12，P0.05。42.1.2 定向航行实验中运动距离的比较 所有小鼠在训练中，随着训练时段的增加，在水中寻找站台游泳的运动距离越来越短(图 1B)。各组小鼠定向航行实验中运动距离的比较无统计学差异(F(3,30)=0.93，P0.05)。2.1.3 定向航行实验中游泳速度的比较 在 Morris 水迷宫训练过程中各组小鼠的游泳速度无统计学差异F(3,30)=1.
8、51，P=0.23，图 2。2.2 各组小鼠空间记忆能力的比较 于实验的第 6 天和第 12 天分别检测小鼠的空间记忆能力。结果显示，4 组小鼠穿越原站台的平均次数均无统计学差异F(3,30)=1.16，P=0.34;F(3,29)=0.45，P=0.72，图 3。 2.3 各组小鼠体重的比较2.3.1 实验全过程中各组小鼠体重的比较 4 组小鼠在实验过程中的体重均逐渐增加，但 4 组小鼠的体重变化无统计学差异F(3,29)=2.45，P0.05。两两比较的结果显示，空白对照组与咖啡因小剂量组相比，体重增加明显，差异有统计学意义(P=0.01)，而其余各组间的两两比较无统计学差异(P0.05，
9、图 4A)。2.3.2 Morris 水迷宫训练期间各组小鼠体重的比较 结果显示，4 组小鼠在运动期间的体重变化无统计学差异F(3,29)=1.15，P0.05，图 4B。2.3.3 Morris 水迷宫训练后未运动期间各组小鼠体重的比较 结果显示，4 组小鼠在未运动期间的体重变化有统计学差异F(3,29)=3.27，P0.05。咖啡因小剂量组和大剂量组分别与空白对照组比较，体重增加明显减缓，差异有统计学意义(P0.01，P0.05);而其余各组间的两两比较无统计学差异(P0.05，图 4C)。3 讨 论5学习与记忆作为脑的高级功能，是一种非常复杂的神经活动过程，由脑的不同部位单独或联合完成。
10、咖啡因的基本化学结构含有甲基黄嘌呤类成分，通过非特异性拮抗腺苷 A1 和 A2a 受体，抑制磷酸二酯酶，以及拮抗 GABA 受体，发挥中枢兴奋作用，从而影响脑的高级功能。本研究采用的咖啡因摄入剂量分别为 5、10、15mg/kg，分别相当于正常成年人每日饮用 1、23 杯咖啡和 3 杯以上咖啡3 4。咖啡因均在训练或测试前灌胃给与，旨在模拟人们在日常生活中饮用咖啡的习惯。研究结果显示，在训练过程中，各组小鼠在定向航行实验中潜伏期的比较、运动距离的比较以及游泳速度的比较均无统计学差异，表明在学习之前摄入咖啡因对于学习能力无显著影响。以往的一些研究结果表明，咖啡因能够改善人类的记忆减退尤其是年龄相
11、关的认知衰退5。MOLINENGO 等6的研究表明，长期慢性接受咖啡因能够减缓大鼠的记忆衰退。这似乎与我们的研究结果相矛盾。还有一些研究结果表明，训练前给予咖啡因对动物以及图 4 咖啡因对各组小鼠体重比的影响 A：整个实验过程中的体重比变化;B：Morris 水迷宫训练中体重比的变化;C：没有额外训练仅给与咖啡因时体重比的变化。与对照组比较，*P0.05, *P0.01, #P0.05。人类的学习记忆均没有影响7 11。ANGELUCCI 等12的研究表明，训练后立即给予 0.310mg/kg 咖啡因能够明显提高小鼠的记忆保持能力。并指出在Morris 水迷宫训练中，咖啡因不会影响工作记忆的获
12、取，但促进记忆的巩固以及记忆的提取13。研究表明，咖啡因通过促进内质网释放 Ca2+离子增加骨胳肌收缩的张力613 14。本研究结果显示，各组小鼠的在训练期间的游泳速度无显著差异，表明实验过程中所采用的咖啡因浓度未对小鼠的运动能力产生影响。这可能与本研究中所采用的咖啡因浓度偏低有关。研究表明，咖啡因具有刺激新陈代谢的作用，可刺激呼吸中枢进而增加呼吸频率、增加血浆游离脂肪酸浓度2。ACHESON 等2的研究表明，在摄入咖啡因 3h后，代谢率明显增加，并且脂肪分解速度加快。本研究结果显示，在实验过程中空白对照组中与 5mg/kg 咖啡因组相比，体重增加明显，说明小剂量咖啡因具有控制体重增长的作用，
13、这可能与小剂量咖啡因可提高代谢率有关。而在 Morris 水迷宫训练后未运动期间，咖啡因 5 和 15mg/kg 组与空白对照组比较体重增加均明显减缓。这一结果表明不进行额外运动，仅给予咖啡因能够明显地控制小鼠体重。本实验所选用的咖啡因剂量对小鼠的游泳速度没有影响，进一步表明，咖啡因对于体重的控制作用可能是通过提高代谢率来实现的。【参考文献】1HOWELL LL, COFFIN VL, SPEALMAN RD. Behavioral and physiological effects of xanthines in nonhuman primates J. Psychopharmacology
14、 (Berl), 1997, 129(1):1 14.2ACHESON KJ, ZAHORSKA MARKIEWICZ B, PITTET P, et al. Caffeine and coffee:their influence on metabolic rate and substrate utilization in normal weight and obese individuals J. Am J Clin Nutr, 1980, 33(5):989 997.3FREDHOLM BB, BATTIG K, HOLMEN J, et al. Actions of caffeine i
15、n the brain with special reference to factors that contribute to its widespread use J. Pharmacol Rev, 1999, 51(1):83 133.4FINN IB, HOLTZMAN SG. Pharmacologic specificity of tolerance to 7caffeine induced stimulation of locomotor activity J. Psychopharmacology (Berl), 1987, 93(4):428 434.5RIEDEL WJ,
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