地磁場伴隨地球生命起源和進化過程，它保護地球生物圈免受太陽風(fēng)及其它高能宇宙射線的輻射傷害，是地球生命的“保護傘”。研究表明：在長期生命演化過程中，細菌和多種動物進化出利用地磁場定向、導(dǎo)航的能力，包括人類大腦也能感知地磁場的變化。然而，動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能的維持是否依賴地磁場尚且未知。隨著深空探測的發(fā)展，如未來月球和火星旅行和居留等，人類可能需要較長時間暴露于極弱的磁場環(huán)境中，有必要評估極弱磁場對人類生理活動的影響。因此，極弱磁場環(huán)境對動物神經(jīng)系統(tǒng)的影響是地球物理學(xué)家和生物學(xué)家共同關(guān)注的重要科學(xué)問題。 

　　通常將磁場強度低于5 μT的極弱磁場稱為亞磁場（hypomagnetic field, HMF）。以往的研究發(fā)現(xiàn)亞磁場暴露會影響動物的認知過程，然而其背后的細胞分子機制尚不清楚。哺乳動物大腦的海馬組織在動物的認知功能中發(fā)揮重要作用，在動物成年以后可持續(xù)產(chǎn)生新的功能性神經(jīng)元，并整合到已有的神經(jīng)環(huán)路中并參與學(xué)習(xí)和記憶等多種認知功能的調(diào)控（該過程稱為成體海馬神經(jīng)發(fā)生）。成體海馬神經(jīng)發(fā)生受動物生理條件和環(huán)境因素的影響，地磁場作為地球生物生存的重要環(huán)境因子，其減弱對神經(jīng)發(fā)生的影響研究將為評估包括人類在內(nèi)的生物圈受亞磁場暴露的影響及應(yīng)對策略提供重要科學(xué)依據(jù)；并且可為認識地磁場環(huán)境對動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能的作用提供有價值的參考。 

　　中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室地磁場與生物圈演化學(xué)科組博士研究生張兵芳與導(dǎo)師潘永信研究員、田蘭香副研究員聯(lián)合遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所郭偉翔研究員等，采用多學(xué)科交叉研究方法，對長時間亞磁場暴露對C57BL/6J模式小鼠成體海馬神經(jīng)發(fā)生的影響開展系統(tǒng)性研究。基于亥姆霍茲線圈磁控系統(tǒng)和免疫熒光共定位技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)：相比地磁場（GMF）組小鼠，亞磁場（HMF）連續(xù)暴露6周的小鼠，其海馬齒狀回區(qū)域神經(jīng)干細胞的增殖和新生神經(jīng)元的分化能力顯著降低，新生神經(jīng)元的樹突總長度減少、分枝結(jié)構(gòu)復(fù)雜度及突觸棘密度顯著降低。行為學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，HMF組小鼠在海馬功能依賴的新位置、新物體識別中均表現(xiàn)出明顯的認知缺陷，表明連續(xù)6周以上的亞磁場暴露會減弱小鼠成體海馬神經(jīng)發(fā)生并影響其認知功能(圖1)。 

圖1 亞磁場暴露減弱小鼠成體海馬神經(jīng)發(fā)生及海馬依賴的認知行為。(a) 成體海馬神經(jīng)發(fā)生。 (b) 實驗?zāi)M的亞磁場和地磁場強度值。(c)成年小鼠經(jīng)GMF- 和 HMF-暴露0-, 6-, 8-周后，海馬齒狀回(DG)區(qū)域增殖細胞（Ki67⁺）的免疫熒光照片。Scale bar = 100 μm。(d) GMF-和HMF-暴露小鼠海馬DG區(qū)增殖細胞（Ki67⁺）數(shù)量統(tǒng)計結(jié)果。(e) 成體海馬DG區(qū)新生的未成熟神經(jīng)元（BrdU⁺DCX⁺NeuN⁺）和成熟神經(jīng)元（BrdU⁺DCX^-NeuN⁺）免疫熒光照片。Scale bar = 20 μm。(f) GMF-和HMF-暴露小鼠海馬DG區(qū)新生未成熟神經(jīng)元的數(shù)量統(tǒng)計圖。(g) GMF-和HMF-暴露小鼠海馬DG區(qū)新生的成熟神經(jīng)元的數(shù)量統(tǒng)計圖。(h) GMF-和HMF-暴露小鼠，DG區(qū)經(jīng)逆轉(zhuǎn)錄病毒注射后RFP⁺新生神經(jīng)元代表圖。Scale bar = 50 μm。(i) GMF-和HMF-暴露小鼠，DG區(qū)逆轉(zhuǎn)錄病毒注射后RFP⁺新生神經(jīng)元突觸棘代表圖。Scale bar = 10 μm。(j) GMF-和HMF-暴露小鼠對新舊位置識別差異的結(jié)果。(k) GMF-和HMF-暴露小鼠對新舊物體識別差異的結(jié)果

　　他們進一步研究了亞磁場對神經(jīng)發(fā)生的影響是否可以通過返回地磁場環(huán)境獲得恢復(fù)。研究發(fā)現(xiàn)相比GMF組小鼠，HMF暴露小鼠的神經(jīng)干細胞ROS水平在將它們轉(zhuǎn)移回GMF后可恢復(fù)到GMF暴露的對照水平。早在返回GMF后2周，海馬齒狀回區(qū)域神經(jīng)干細胞的數(shù)量就顯著增加，返回GMF后4周新生神經(jīng)元的數(shù)量恢復(fù)到地磁場組水平，但星形膠質(zhì)細胞的數(shù)量不受影響。新生神經(jīng)元的樹突長度和復(fù)雜性在返回GMF后4周顯著恢復(fù)，在返回GMF后8周完全獲救。行為學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，通過返回GMF可以挽救暴露于HMF環(huán)境引起的海馬依賴學(xué)習(xí)缺陷。因此，返回GMF能夠改善由于長期暴露HMF環(huán)境引起的神經(jīng)發(fā)生減弱和認知功能缺陷。 

　　為理解亞磁場暴露影響小鼠成體海馬神經(jīng)發(fā)生及其認知功能的分子機制，他們從亞磁場暴露的成年Nestin-GFP轉(zhuǎn)基因小鼠腦內(nèi)分選出海馬神經(jīng)干細胞并進行轉(zhuǎn)錄組測序分析。結(jié)果顯示，亞磁場處理顯著升高了抑制干細胞增殖、分化相關(guān)基因的表達水平，同時降低了低氧應(yīng)激、活性氧（reactive oxygen species, ROS）代謝和產(chǎn)生相關(guān)基因的表達水平。結(jié)合前人研究發(fā)現(xiàn)ROS可作為第二信使調(diào)控細胞信號通路以及磁場強度的變化會影響細胞內(nèi)自由基濃度等認識，他們推斷亞磁場可能通過降低海馬神經(jīng)干細胞內(nèi)ROS的含量來影響成體海馬神經(jīng)發(fā)生。進一步ROS原位檢測證實，亞磁場暴露顯著降低了海馬神經(jīng)干細胞內(nèi)的ROS水平（圖2）。 

圖2 亞磁場暴露降低小鼠成體海馬神經(jīng)干細胞內(nèi)的ROS水平。(a)對成體海馬神經(jīng)干細胞進行轉(zhuǎn)錄組分析的研究策略。(b) GMF-和HMF-暴露的Nestin-GFP小鼠成體海馬干細胞差異基因表達熱圖。(c 和 d) 差異表達基因的GO分析：顯著上調(diào)基因的功能聚集 (c)和下調(diào)基因的功能聚集 (d)。(e) Nestin-GFP小鼠經(jīng)GMF-和HMF-暴露8周后DG區(qū)神經(jīng)干細胞內(nèi)ROS原位檢測圖片。圖中比例尺為20 μm。(f) Nestin-GFP小鼠經(jīng)GMF-和HMF-暴露8周后DG區(qū)神經(jīng)干細胞內(nèi)ROS定量統(tǒng)計對比結(jié)果

　　通過注射超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）酶活抑制劑二乙基二硫代氨基甲酸鈉（DDC）提高海馬干細胞內(nèi)的ROS水平發(fā)現(xiàn)， DDC處理的亞磁場組小鼠海馬神經(jīng)干細胞的增殖和新生神經(jīng)元的分化、樹突發(fā)育及海馬依賴的認知行為均恢復(fù)到地磁場組水平，這表明適當(dāng)升高小鼠海馬干細胞內(nèi)的ROS水平可恢復(fù)亞磁場暴露對小鼠成體海馬神經(jīng)發(fā)生的損害。DDC處理的地磁場組小鼠海馬神經(jīng)干細胞ROS水平也升高，但是其增殖、神經(jīng)元的分化和樹突發(fā)育卻受到明顯抑制，且細胞的凋亡水平顯著升高，這表明過高水平的ROS會損害小鼠成體海馬神經(jīng)發(fā)生（圖3）。該結(jié)果證實亞磁場通過降低神經(jīng)干細胞內(nèi)的ROS影響小鼠成體海馬神經(jīng)發(fā)生，并且成體海馬神經(jīng)發(fā)生需要維持干細胞內(nèi)適宜的ROS水平。 

圖3 升高ROS水平恢復(fù)亞磁場暴露小鼠成體海馬神經(jīng)發(fā)生。(a) GMF-和HMF-暴露的Nestin-GFP小鼠經(jīng)DDC處理后，DG區(qū)神經(jīng)干細胞內(nèi)ROS原位檢測示意圖。Scale bar = 20 μm。(b) GMF-和HMF-暴露的小鼠經(jīng)DDC處理后，DG區(qū)新生神經(jīng)元樹突結(jié)構(gòu)示意圖。Scale bar = 50 μm。 (c) GMF-和HMF-暴露的小鼠經(jīng)DDC處理后，DG區(qū)神經(jīng)新生神經(jīng)元突觸棘結(jié)構(gòu)示意圖。Scale bar = 10 μm。(d-f) GMF-和HMF-暴露的小鼠經(jīng)DDC處理后，DG區(qū)BrdU⁺Sox2⁺GFAP⁺ 神經(jīng)干細胞(d), BrdU⁺NeuN⁺神經(jīng)元(e)及活性caspase-3⁺DCX⁺凋亡細胞的數(shù)量(f)

　　上述實驗研究揭示ROS是磁場調(diào)控成體海馬神經(jīng)發(fā)生的重要因子，亞磁場通過降低細胞內(nèi)ROS水平損害小鼠成體海馬神經(jīng)發(fā)生及認知功能（圖4）。亞磁場暴露引起的神經(jīng)發(fā)生和認知功能缺陷可以通過藥物提高ROS水平或返回地磁場環(huán)境來挽救。本研究首次在動物水平上證實了地磁場/亞磁場、ROS與成體海馬神經(jīng)發(fā)生之間的關(guān)系，確認亞磁場的生物效應(yīng)具有時間累積性，揭示出地磁場在小鼠成體海馬神經(jīng)發(fā)生中的重要性，同時為研究亞磁場的神經(jīng)生物學(xué)效應(yīng)機制提供了新的認識，為亞磁場生物效應(yīng)的醫(yī)學(xué)干預(yù)提供了參考策略。

圖4 GMF和HMF影響成體海馬神經(jīng)發(fā)生的作用機制。GMF通過維持細胞內(nèi)適當(dāng)高水平的ROS調(diào)控海馬神經(jīng)發(fā)生及海馬依賴的認知，而亞磁場暴露降低了ROS水平進而損害成體海馬神經(jīng)發(fā)生及其依賴的認知

　　研究成果發(fā)表于國際頂級學(xué)術(shù)期刊Nature Communications。（張兵芳, Lei Wang, Aisheng Zhan, Min Wang, 田蘭香^*, 郭偉翔^*, 潘永信. Long-term exposure to a hypomagnetic field attenuates adult hippocampal neurogenesis and cognition[J]. Nature Communications, 2021, 12: 1174. DOI: 10.1038/s41467-021-21468-x）。本研究得到國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究計劃等項目的資助。