HIIT（High-intensityinterval training，高強度間歇性訓練）是一種包含高低強度運動交替的鍛鍊模式。研究表明這種鍛鍊模式能夠更有效地增強認知功能，因為它可以引起更高水平的BDNF產生，但是目前尚不清楚HIIT促進BDNF產生的確切機制，可能與調節線粒體質量控制系統相關。

線粒體功能的調控包括線粒體融合和分裂、線粒體自噬以及線粒體生物發生。線粒體融合受mfn1、mfn2和opa1共同調節，其中前兩者調控線粒體外膜融合，而opa1協調線粒體內膜融合；線粒體分裂可分離嚴重受損的線粒體，該過程則受drp1、fis1共同調控，drp1可將線粒體分裂成兩部分，fis1則錨定於線粒體外膜招募drp1由細胞質至線粒體外膜；線上粒體自噬中，parkin/PINK1訊號通路發揮關鍵調控作用，啟用的PINK1招募parkin進行泛素化，最終標記線粒體至自噬體內；而對於線粒體生物發生，PGC-1α在該過程中起關鍵作用，它透過啟用nrf1和nrf2，最終啟用TFAM，從而增加mtDNA的轉錄和翻譯。簡而言之，這些線粒體功能調控過程既確保了細胞中不斷產生新的線粒體，又及時地將受損線粒體從細胞中移除，這對維持線粒體功能至關重要，但是到目前為止，尚不清楚HIIT對海馬線粒體功能調控的影響。

最近的研究提示運動對大腦功能的積極作用是由乳酸介導的——升高的乳酸水平可以增強神經元突觸的可塑性以促進學習和記憶，此外乳酸被證明也可以參與腦線粒體功能的改善和維持，可促進腦線粒體生物發生。

基於以上背景，來自中國的研究人員推測：HIIT透過調高海馬乳酸水平以促進BDNF表達並調節線粒體質量控制系統以改善大腦功能。

1. HIIT增加乳酸水平並促進海馬MCT1/4和BDNF表達

和對照組相比，HIIT組的血液及海馬乳酸水平顯著升高，這說明HIIT訓練可以有效地增加乳酸水平。同時檢測海馬MCT1/4和BDNF水平，發現HIIT訓練可以顯著升高其mRNA和蛋白表達。

圖1：HIIT增加乳酸水平並促進海馬MCT1/4和BDNF表達

2. HIIT對海馬線粒體功能的影響

透過檢測ATP水平和使用線粒體氧化磷酸化相關基因反映線粒體功能。結果顯示與對照組相比，HIIT組ATP水平明顯升高且cox5b mRNA水平顯著增加，但是NDUFS8、SDHB、UQCRC1和ATP5A1在mRNA水平上組間並未表現出明顯的差異。

3. HIIT對海馬線粒體融合和分裂的影響

透過western blot技術檢測不同組別線粒體融合和分裂蛋白的表達水平，結果顯示，HIIT能夠促進線粒體融合三種蛋白的表達，但是抑制了線粒體分裂兩種蛋白的表達。這提示我們，海馬氧化磷酸化水平的顯著增加可能是由於在HIIT期間增強的線粒體融合。

圖2：HIIT對海馬線粒體融合和分裂的影響

4. HIIT對線粒體自噬的影響

同樣使用western blot技術檢測不同組別之間線粒體自噬標誌蛋白的水平，結果顯示組間parkin、PINK1和LC3Ⅱ/Ⅰ無明顯變化，僅有p62在蛋白水平上表現出組間差異，這提示我們HIIT對海馬線粒體自噬影響很小。

圖3：HIIT對線粒體自噬的影響

5. HIIT對線粒體生物發生和mtDNA複製數的影響

透過檢測線粒體生物發生標誌蛋白，發現HIIT可以促進PGC-1α和nrf2蛋白表達，同時伴有mtDNA複製數顯著增加。這提示我們HIIT可能促進海馬線粒體生物發生並增加線粒體複製數以改善大腦功能。

圖4：HIIT對線粒體生物發生和mtDNA複製數的影響

6. 乳酸增加了海馬細胞中ATP水平和氧化磷酸化相關基因的表達

乳酸處理後檢測海馬細胞中ATP水平和上述五個氧化磷酸化相關基因的表達，結果顯示高濃度的乳酸可以部分地增強氧化磷酸化相關基因的表達並提高ATP水平。

7. 乳酸提高了海馬細胞中BDNF的表達

在乳酸處理後的小鼠海馬細胞中，BDNF的蛋白表達增加。

8. 乳酸直接調節海馬細胞中的線粒體融合和分裂

進一步透過western blot技術檢測乳酸處理條件下海馬細胞中線粒體融合和分裂蛋白的表達情況，結果顯示，乳酸處理能夠提高線粒體融合蛋白的表達並同時抑制線粒體分裂蛋白的表達。

圖5：乳酸直接調節海馬細胞中的線粒體融合和分裂

9. 乳酸增強線粒體生物發生並提高mtDNA複製數

透過使用western blot技術檢測線粒體生物發生標誌性蛋白同時檢測mtDNA複製數，發現高濃度的乳酸可以促進線粒體生物發生並增加mtDNA複製數，這與之前的結果是一致的。

圖6：乳酸增強線粒體生物發生並提高mtDNA複製數

10. 總結

該研究首次證明了HIIT可以透過促進線粒體融合和線粒體生物發生以提升ATP水平從而維持大腦功能，這可能是由乳酸介導的BDNF蛋白表達水平增加而發生的。

參考文獻：

Hu J, Cai M, Shang Q, Li Z, Feng Y , Liu B,Xue X and Lou S (2021) Elevated Lactate by High-Intensity Interval TrainingRegulates the Hippocampal BDNF Expression and the Mitochondrial QualityControlSystem. Front. Physiol. 12:629914.

校審： Simon (Brainnews編輯部)