地球磁场如何影响生命是地球科学和生命科学共同关注的重要问题。地磁场起源于地球内部，伸向太空，保护地表生命和维持地球宜居环境。古地磁学研究表明：在地磁倒转期间，地磁场强度会剧烈下降，仅为倒转前地磁场强度的10%-20%。这期间地球上的生物都暴露在亚磁场环境（指强度< 5 μT的静态磁场）中。现今载人深空探测和磁屏蔽室内的工作人员同样暴露于亚磁场环境，因此亚磁场的生物学效应也是行星宜居性研究的重要内容。已有研究发现：亚磁场暴露会引起动物认知功能障碍。然而，其潜在的神经机制仍不清楚。
由于动物的学习和记忆等认知能力高度依赖于大脑的海马体，地球与行星物理院重点实验室地球与行星磁场及宜居性学科组田兰香副研究员和潘永信院士带领研究团队通过前期对哺乳动物大脑海马神经发生过程的研究发现：长期亚磁场暴露通过降低小鼠海马齿状回的神经干细胞内源性活性氧（ROS）水平，进而抑制成体海马神经发生，引起海马相关的认知功能障碍。此外，哺乳动物海马齿状回的神经源性生态位以及整个海马体的氧化还原状态对于成体海马神经发生和海马依赖的认知功能也非常重要。但是，地球磁场的缺失（亚磁场环境）是否会对这些因素造成影响，目前尚不清楚。
围绕上述科学问题，研究团队开展了综合性研究。他们通过使用双绕线圈系统高精度模拟亚磁场环境对实验小鼠进行长期亚磁场暴露，并采用地球物理学和神经生物学等多种交叉研究方法对小鼠海马齿状回神经源性生态位和整个海马区的ROS水平等开展原位检测及海马相关认知功能研究，取得了以下系列性研究成果：
（1）长期亚磁场暴露引起海马齿状回神经源性生态位异常。动物海马成体神经发生受到局部微环境的调节，即神经源性生态位。它主要由星形胶质细胞、小胶质细胞和血管系统组成。研究揭示：亚磁场暴露8周显著诱导了部分小胶质细胞的激活，引起其胞体增大并且分支变短变粗；也显著增加了星形胶质细胞的数量，这些都提示神经源性生态位内稳态出现异常（图1）。同时，亚磁场暴露显著降低了海马齿状回区域神经干细胞的增殖和分化，造成小鼠学习、记忆等认知功能障碍，同时引起其焦虑样行为。综合前期研究，研究者认为亚磁场暴露可能是通过降低小鼠神经干细胞内的ROS水平、引起神经源性生态位异常，从而抑制其成体海马神经发生和相关认知功能的。
图1 地磁场和亚磁场暴露8周对小鼠海马齿状回神经源性生态位影响的对比结果。（A）亚磁场暴露引起海马齿状回部分小胶质细胞（红色）的激活（箭头所示胞体增大，分支变短变粗）；（B）亚磁场暴露引起海马齿状回区星形胶质细胞（红色）的增加；（C）星形胶质细胞数量统计结果
（2）长期亚磁场暴露引起整体海马区ROS水平的升高。除齿状回神经干细胞因素外，海马体其它区域内的氧化还原状态也是影响海马体功能的一个重要因素。团队成员通过免疫荧光和PCR阵列分析技术研究发现：亚磁场暴露8周显著升高了小鼠大脑整个海马区的ROS水平，这可能是由于亚磁场调节与氧化还原平衡相关的关键基因表达水平造成的（图2）。高水平的ROS可能导致海马体细胞发生氧化应激和功能受损，诱导小胶质细胞活化等神经炎症反应，这可能是长期亚磁场暴露导致认知障碍和焦虑样行为的重要原因之一。综上，长期亚磁场暴露对中枢神经系统海马体产生显著的不良影响，这些影响可能与亚磁场调控细胞内的活性氧水平和成体海马神经发生微环境等因素密切相关。
图2 地磁场和亚磁场暴露8周对小鼠整个海马区活性氧（ROS）水平影响对比结果。（A）地磁场/亚磁场组小鼠海马区的ROS染色（红色）的代表性荧光照片。（B）地磁场/亚磁场组小鼠海马区ROS水平定量统计结果
该研究深入揭示了亚磁场暴露影响动物学习记忆等认知功能的神经机制，为评估航天员亚磁场暴露健康风险和制定预防策略提供了重要实验依据。
研究成果发表于国际学术期刊International Journal of Molecular Sciences与Frontiers in Physics。研究得到国家自然科学基金（42074073和41621004）和中国科学院A类战略性先导科技专项“鸿鹄专项”课题（XDA17010501）的资助。
1.田兰香*，罗于凯，詹蔼生，任杰，秦华峰，潘永信. Hypomagnetic field induces the production of reactive oxygen species and cognitive deficits in mice hippocampus[J]. International Journal of Molecular Sciences.,2022, 23: 3622. DOI: 10.3390/ijms23073622.
2.罗于凯，詹蔼生，樊耘畅，田兰香*. Effects of hypomagnetic field on adult hippocampal neurogenic niche and neurogenesis in mice[J]. Frontiers in Physics, 2022, 10: 1075198. DOI: 10.3389/fphy.2022.1075198.