机场噪声对大鼠神经行为、神经递质及神经组织形态影响

中国环境学会  2011年 06月22日

  

  翟国庆*,周兵,林旗力

  (浙江大学环境污染控制技术研究所,杭州市天目山路148号浙江大学西溪校区,310028

  摘要为探究机场噪声暴露对机体神经生理的影响,利用机场附近某居民处采样得到的不同机型飞机起降噪声,调整其一个飞行周期内计权等效连续感觉噪声级(LWECPN)为75dB80dB,在隔声室对SD大鼠进行暴露。利用旷场实验考察大鼠神经行为,大鼠眼眶后静脉丛采血后利用高效液相色谱-荧光法测定大鼠血浆神经递质(NE5-HT)含量,利用透射电镜观察中枢神经系统海马区和颞叶区的神经组织形态。结果表明:80dB飞机噪声暴露,大鼠中央格停留时间、洗脸次数与粪便数显著增加(P0.05),跨格数显著减少(P0.05);噪声暴露过程中,实验组血浆NE浓度与对照组相比始终偏高,NE浓度与噪声暴露强度存在剂量-效应关系,而血浆5-HT浓度较对照组始终偏低,但无显著差异(P0.05);机场噪声暴露65d后,实验组大鼠海马区和颞叶区神经元出现损伤和凋亡,且突触结构遭到一定破坏。

  Abstract

  In order to investigate the physiological effects of airport noise on organism, noise emitted from aircrafts were sampled at a resident near an airport and then exposed to SD rats in the soundproof chamber. Aircraft noise were played according to actual case and adjusted its weighted equivalent continuous perceive noise level (LWECPN) of 75dB and 80dB. Behaviors of rats were tested through open field experiment and the concentration of serum Norepinephrine (NE) and 5-hydroxytryptamine (5-HT) were determined with the High Performance Liquid Chromatography-Fluorimetric (HPLC-FLD) and synapse alteration in hippocampus and temporal lobe were observed by Transmission Electron Microscopy (TEM). The results showed that comparing with the control group, neurobehavioral function of the rats were significantly changed (P<0.05) after airport noise exposure; the concentration of serum NE of experimental groups were higher than the control group while 5-HT concentration of the experimental groups were lower but with no significant difference (P>0.05); moreover, the structures of neuron and synaptic in temporal lobe of the rats presented a significantly damaged after 65 days’ aircraft noise exposure.

   

  关键词:机场噪声;生理效应;神经生理;行为;递质

   

  以往在实验室可控条件下进行噪声生理效应研究,都以宽带白噪声作为暴露声源,其功率密度不随频率改变,相关研究结果不能较好地反映环境噪声的实际影响;而对暴露于实际噪声环境(如纺织车间)中的受体进行生理效应研究,往往因为影响要素较多,很难定量研究噪声的实际影响。在中国,随着航空客运、货运量的快速增加,许多机场周围居民生活区飞机噪声LWECPN超过《机场周围飞机噪声环境标准》中二类区域75dB限值,为研究中国机场周围较高飞机噪声对附近居民的生理影响,本研究在对飞机噪声进行采样基础上,室验室模拟回放实际飞机噪声,考察其对大鼠神经行为、血浆神经递质含量以及大脑海马区和颞叶区神经组织形态的影响。

  1.实验过程

  在某机场附近居民楼顶,利用LDS四通道动态信号分析仪(Photon ⅡLDS公司)采集到昼间、夜间两个时段不同机型起降时的实际噪声,按照该机场24h航班时刻及对应机型进行编排,通过功率放大器(Nor280,挪威Norsonic公司)调节强度后,通过正十二面体无指向性声源(Nor270,挪威Norsonic公司)播放。利用吸声隔声装置的组合布置,使得靠近声源一侧的实验组处LWECPN80±1.0dB,远离声源一侧的实验组处LWECPN75±1.0dB

 雄性SDSprague Dawley)大鼠50只,鼠龄6周,体重150±20g,生理指标基本一致,听力正常,无噪声刺激史。大鼠随机分为对照组(10只),噪声暴露实验组(20只)和实验组(20只),按5/笼进行饲养,用苦味酸标识。控制大鼠生活条件:恒温(22±3℃),12h/12h人工昼夜(8:00~20:00),自由取食和饮水。大鼠在实验室适应3天后,进行噪声暴露。分别在第1d、第8d、第15d、第22d、第29d和第36d晚上1900开始进行行为实验及采血测定神经递质实验(第36d采血实验不做)。每次行为实验选取相同的对照组大鼠5只,实验组和实验组各10只,相应的其余大鼠进行采血测定神经递质实验。行为实验持续近4个小时,采血过程耗时约四十分钟。神经组织形态观察实验在噪声暴露65d后进行,对照组、暴露组和暴露组各取2只大鼠。

  2.实验结果

    行为实验和神经递质测定数据用均数±标准差表示,采用Spss16.0软件进行统计分析,组间差异采用单因素方差分析法(ANOVA)进行检验,P<0.05为统计学差异。

  2.1旷场行为实验结果

    采用摄像机动态记录大鼠行为实验过程,取由3人独立统计所得数据平均值作为行为实验最终结果,详见表1 

   由表1可知,各组大鼠的中央格停留时间随暴露天数呈先增加后降低趋势,实验组大鼠中央格停留时间明显大于对照组。其中,噪声暴露第1d实验组和实验组中央格停留时间较对照组显著偏大(P<0.05),第36d实验组与对照组相比存在显著差异(P<0.05);实验组跨格数低于对照组,且随着噪声暴露天数增加跨格数减少。噪声暴露第8d,实验组跨格次数与对照组相比差异显著(P<0.05);实验组大鼠的洗脸行为次数和粪便数较对照组多,且噪声强度越大,洗脸次数越多,粪便量也越多。暴露第1d,实验组洗脸次数和粪便数较对照组明显偏高(P<0.05)。

  2.2神经递质测定实验结果

 不同强度机场噪声暴露下各组大鼠血浆神经递质NE含量平均值随时间变化的关系如图2。由图2可知,对照组大鼠血浆NE浓度随时间变化很小,对照组、实验组、实验组大鼠NE浓度在同一时间的测定值依次大,但实验组与对照组相比无显著差异(P>0.05)。这表明,机场噪声暴露在一定程度上增加大鼠血浆NE含量,且噪声暴露强度(LWECPN越高,NE升高越多。

     3显示的是各组大鼠机场噪声暴露下血浆5-HT浓度平均值随时间的变化关系。由图可知,实验组和对照组大鼠血浆5-HT浓度在整个噪声暴露期的变化趋势一致。5-HT浓度在第8d时达到最大值,随后持续降低。实验5-HT浓度始终低于对照组,而高于实验组,但三组之间数据无显著差异(P>0.05),且随着时间延长,差值渐小。

 

   2.3神经组织形态观察实验结果

 大鼠机场噪声暴露65天后,从对照组、实验组和实验组分别随机抽取2只大鼠,提取大脑海马及颞叶组织,通过透射电镜观察海马区和颞叶区神经元以及突触形态结构。从透射电镜下观察到同一切片神经元形态基本一致,而实验组和实验组神经组织形态也无显著差异。对照组(H-N-1)和实验组(H-N-2)海马区神经元细胞核呈椭圆形或不规则形,核膜深染且结构模糊,染色质分布不均,聚集成块且有边集现象;胞质浓缩,胞质内细胞器较少且结构模糊,线粒体嵴排列不规则、部分模糊、消失或空化,未见高尔基体。对照组(T-N-1)颞叶区神经元细胞核呈卵圆形,核膜结构清晰,胞质内可见线粒体、粗面内质网、核糖体等细胞器,且各种细胞器分布均匀,形态正常。而实验组(T-N-2)颞叶神经元细胞核成不规则形,核膜深染,结构模糊,染色质边聚,胞质浓缩,细胞器少见。对照组大鼠海马区(H-S-1)和颞叶区(T-S-1)突触间隙清楚,突触前驱有线粒体和突触小泡,而实验组海马区(H-S-2)和颞叶区(T-S-2)突触间隙模糊,染色质聚合,突触小泡不清晰。

 

   3.分析与讨论

  3.1行为实验结果分析

  中央格停留时间反映动物对环境的认知能力,正常动物会避开空旷环境,迅速离开中央格而沿周边活动,如果对新环境的认知能力差,停留在中央格的时间就会延长(Treit D et al., 1989Walsh R et al., 1976)。本研究中,噪声暴露第1d,实验组和实验组大鼠的中央格停留时间与对照组相比存在显著差异,这说明机场噪声暴露对大鼠的认知能力产生了影响。在整个暴露周期,实验组大鼠的中央格停留时间始终大于实验I组和对照组,36d后实验组与对照组之间仍存在显著差异(P<0.05)。可见,本实验条件下机场噪声暴露对大鼠的认知能力会产生了一定影响。

  跨格次数是动物探索行为及兴奋性、运动性水平的反映。本研究中,实验组和对照组跨格次数均呈下降趋势,且实验组的跨格数始终低于对照组,第8d,实验组大鼠与对照组的跨格次数存在显著差异P<0.05。相关研究表明,连续噪声和间歇噪声对大鼠旷场行为的影响存在差异,连续噪声刺激下噪声强度的增加,大鼠活动性提高;而间歇噪声刺激下噪声强度增加,大鼠活动性降低(Tom Cox et al., 1975)。另有研究表明,非稳态噪声刺激下,随着噪声刺激时间的延长,大鼠在旷场反应实验中的跨格数呈下降趋势(HOU Gong-lin, 2002)。本研究中,机场噪声为非稳态间歇噪声,且随着噪声强度的增加,大鼠跨格数减少,这与间歇噪声刺激使大鼠活动性降低的相关研究结论一致。因此,本实验强度下的机场噪声暴露对大鼠的兴奋性、运动性产生了一定的抑制作用。

  大鼠洗脸行为主要反映其对周围环境的不确定性或者可能存在的危险性的觉察能力。本研究中,随着噪声暴露时间的增加,各组大鼠的洗脸次数变化规律不明显。但同一时期,实验组大鼠的洗脸行为次数要多于对照组,且噪声强度越大,洗脸次数越多。相关研究(HOU Gong-lin, 2002)表明,动物受到外界刺激后会产生心理应激,使得站立次数、洗脸次数增多。因此本实验表明非稳态噪声可能诱发心理应激,并通过中枢神经系统调节大鼠洗脸行为。

  旷场实验中的粪便数是动物紧张程度的反映,粪便多,紧张度就高,反之,则低。本研究中,随着暴露时间的增加,各组大鼠的粪便数变化规律不明显,但实验组大鼠的粪便数均高于对照组,且暴露强度越大,粪便量越多。这说明实验组大鼠的紧张程度要高于对照组。有研究报道将大鼠置于95dB白噪声下急性暴露1h,然后进行旷场反应实验,结果显示实验组粪便量与对照组相比明显减少(R. J. Katz et al., 1981)。另有研究(Peter Weyers et al., 1994)显示85dB白噪声长时期暴露,大鼠在旷场行为实验中的粪便量明显增多,与我们的研究结果吻合。可见,LWECPN75±1.0dB ~80dB±1.0dB的机场噪声长期暴露会对大鼠紧张度产生一定影响。

  3.2神经递质测定实验结果分析

  去甲肾上腺素(NE) 属于儿茶酚胺类交感神经递质,在中枢神经系统是一种重要神经递质,在外周神经系统则是重要的激素。NE、肾上腺素(E)和皮质酮(cortisol)都是应激激素,在噪声刺激下可作为机体应激指标(Akira Okada, 1983Vaernes et al.,1982M. Spreng, 2000)

  中枢去甲肾上腺素能胞体存在于脑内两个主要区域:蓝斑(Locus Coeruleus)以及脑桥与髓质间的分散区域(Van Moffaert M et al., 1999)。中枢去甲肾上腺素能系统由几个脑干核组成,激活该类核团可使NE在脑内许多区域释(Murchison CF et al., 2004)血浆去甲肾上腺素主要由分布在心脏、血管及肾上腺髓质的交感神经末梢分泌,受交感神经调控(Murray Esler et al., 1990)。血浆NE含量与脑脊液中NE含量呈高度正相关,血浆NE含量可反映中枢NE的水平,也可反映机体外周交感神经张力高低(Goldstein D S et al., 1981; Raskind MA et al., 1984; CR Lake et al., 1981)。本实验中机场噪声暴露后大鼠血浆NE含量一定程度增加,表明机场噪声刺激激发了肾上腺髓质系统(SAMS)交感神经兴奋,同时增加蓝斑核去甲肾上腺能神经元NE的释放。机场噪声暴露强度高的实验组(LWECPN80dB)血浆NE浓度始终高于强度较低组(LWECPN75dB),表明血浆NE浓度与噪声暴露强度存在剂量-效应关系,这一结论与先前人们在白噪声暴露下得出的剂量-效应关系相一致(W. Babisch, 2001)

  在外界刺激下,机体神经系统、内分泌系统及神经递质释放等方面可发生与之适应的反应,如促进促肾上腺皮质激素(ACTH)、皮质酮、儿茶酚胺等一系列体内激素的释放,从而调节和保护机体,减免伤害,这些协调反应被称为应激反应。去甲肾上腺作为一种应激激素在应对、适应压力中有着重要作用(Goldstein DS, 1981J. M. Finlay et al., 1995)。噪声暴露后第1天、第8天,实验大鼠血浆NE浓度随即增加,表明NE上升是机体对噪声刺激的正常应激反应。随着噪声暴露时间的增加,实验I组大鼠血浆NE浓度逐渐接近对照组,其原因可能是大鼠对较低强度噪声刺激产生了一定的适应性。但是,实验组血浆NE浓度不但没有接近反而与对照组的差值越来越大,这可能是因为噪声暴露强度太大,随着暴露时间延长噪声刺激的累积效应使得NE在暴露22天后继续升高。因此长期强噪声刺激可能对机体的影响更大。

  研究人员发现特质焦虑与血浆NE浓度存在显著关联,血浆NE浓度越高,焦虑症状越严重(Kenichi Yasunari et al., 2006)。焦虑症患者血浆中5-HT NE的水平比正常组高(P<0.05),二者含量的增高可引起焦虑不安、容易激惹、烦躁,还可引起食欲下降、睡眠障碍、心悸、眩晕等症状(Schatzberg AF, 1991)。另有研究指出海马突触5-HTNE的急性增加很可能与临床焦虑症相关(E. Hajos-Korcsok et al., 2003)。因此,机场噪声暴露可能诱导大鼠产生焦虑症状。对抑郁症患者血浆多巴胺(DA)和NE浓度进行分析可知,血浆DA浓度与抑郁程度即汉密尔顿抑郁量表(HRSD)得分成正相关,但NE浓度表现出一定的负相关(Mark B. Hamner and Bruce I. Diamond, 1996)。因此,实验中NE测定结果不能表明机场噪声暴露诱发抑郁症。

   另外,血浆NE浓度被认为是高血压病症的重要指标,临床病例研究表明高血压患者血浆NE浓度显著高于正常人(Shinya Makino et al., 2006),而流行病学调查也指出机场噪声暴露与高血压以及心脏病发病率存在直接关联(Paul Knipschild et al., 1977E A M Franssen et al., 2004Toshihito Matsui et al., 2004)。因此,我们的研究结论为流行病学研究结论提供了一定的病理学依据。

  5-HT(血清素)是一类单胺类神经递质,由色氨酸衍生而来,合成于中枢神经(CNS)元及动物消化道肠嗜铬细胞内,与色氨酸羟化酶(TPH)有关(A. Richard Green et al., 1974)5-HT主要分布在松果体和下丘脑,参与痛觉、睡眠和体温等生理功能调节。实验中各组大鼠血浆5-HT浓度随暴露时间的延长呈现先升高后降低趋势,这是因为大鼠5-HT含量会随动物生理成长而变化(David Pazo et al., 2002)。文献指出,长期噪声暴露会增加海马5-HT释放,但是其他脑区5-HT的释放与吸收无显著变化(Cathy Fernandes and Sandra E., 1993)。研究中,实验组血浆5-HT浓度低于对照组,但无显著差异(P0.05),且暴露时间越长,实验组与对照组的差值越小,表明此条件下机场噪声暴露只是很小程度上降低大鼠血浆5-HT浓度。

  早在1965年,英国科学家已发现中枢缺乏5-HT会导致抑郁(Coppen A et al., 1965)进一步研究证实抑郁症患者突触后5-HT1D受体敏感性严重下降(Whale R et al., 2001.),血小板5-HT2A受体密度和活动度升高(Mendelson S D, 2000),且大脑前额皮层5-HT运载体结合位点显著减少(Mann J J et al., 2000)近年来人们对抑郁症和焦虑症患者血浆5-HT浓度进行研究发现,抑郁症组血浆5-HT浓度显著低于正常对照组(P<0.05),但焦虑症组血浆5-HT浓度与正常对照组相比无显著差异 (YUAN Yong-gui et al., 2004)。本研究中,实验组5-HT浓度均低于对照组,表明机场噪声刺激可能导致机体抑郁。另外,人们对抑郁和焦虑共病患者进行研究发现共病患者血浆5-HT浓度高于抑郁症组,推测焦虑症在一定程度上能升高血浆5-HT浓度(Yuan Yong-gui et al., 2001)。我们的研究中,实验组血浆5-HT水平稍高于实验I组,推测实验组可能同时存在焦虑和抑郁两种症状。而随着噪声暴露时间的延长,实验组与对照组血浆5-HT浓度差值越来越小,至噪声暴露第29d基本无差别,其原因可能是大鼠通过长期应激对噪声暴露产生了一定的抗性和适应性。

  3.3神经组织形态观察结果分析

  神经元损伤包括生理性损伤和外界环境刺激下的病理性损伤。研究表明机体随着年龄增长海马区神经元会产生衰老性变化,如出现神经元萎缩分散等(Merih Is et al., 2008An-Tao Du et al., 2006)。实验观察到对照组和实验组大鼠海马区神经元结构出现受损和凋亡现象,可能是因为大鼠年龄的增加伴随的生理性损伤。已有文献表明高强度噪声(135dBA30min)刺激可增加机体耳蜗谷氨酸(glutamate)含量(W. Jager et al., 2000),而谷氨酸可作用于NMDA受体,激活NMDA受体门控Ca2+通道,引起Ca2+过度内流,进而激活一系列与凋亡相关的酶,从而导致细胞凋亡(ZhivotovskyB et al., 1994)。另外,噪声刺激会增加血浆皮质酮浓度(Giovanni Vitale et al., 2005),而皮质酮可使神经细胞内外Ca2+平衡失调,Ca2+内流增多,从而介导细胞凋亡(Alnemri E S et al., 1989)。因此,实验结果不能排除长期机场噪声刺激会对海马区神经元造成病理性损伤。

  另外,机体受到物理、化学刺激或严重的病理性刺激时,神经组织会出现坏死凋亡。当有害因素过强时,发生快速坏死,反之则发生慢性的凋亡(Bonfoce E et al., 1995)。颞叶区神经元形态观察结果显示,接受机场噪声长期暴露的实验组大鼠颞叶区神经元及突触相比对照组受损严重,其原因可能是噪声的长期刺激使颞叶神经元产生了病理性损伤。但是这种损伤的机理目前还不明晰,有待进一步研究。

  中枢神经系统海马区和颞叶区都与机体的认知、记忆以及情感密切相关。因此海马区与颞叶区神经组织遭到损伤,很可能是机体的认知能力下降,记忆力降低和主观情绪不稳定等的器质性病理学依据。突触是神经元之间连接以及神经元间信息传递转移的场所,所以突触形态的改变可引起脑和神经系统功能相应的改变,进而介导动物行为改变。中枢神经组织观察实验结果与行为实验结果相吻合,都表明长期机场噪声暴露会对机体神经行为及功能产生不利影响。

 

  4.结论

  实际机场噪声暴露会对大鼠神经行为产生负面影响,表现为降低大鼠认知能力和觉察能力,抑制其运动性和兴奋性。机场噪声暴露会在一定程度上提高大鼠血浆NE浓度,降低5-HT浓度,从而可能诱导机体出现焦虑症和抑郁症。另外,机场噪声暴露可使海马区和颞叶区神经元出现损伤和凋亡,也可使突触结构遭到破坏,但其作用机理尚待进一步研究。

   

  参考文献(略)

  

 
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