Optimizing exercise timing for alleviating anxiety and cognitive decline in a perimenopausal mouse model = 폐경 이행기 생쥐 모델에서 불안 및 인지 저하 완화를 위한 운동 시기 최적화

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Perimenopause is a critical transitional phase characterized by fluctuating and gradually declining estrogen levels, often accompanied by new-onset anxiety and significant cognitive impairments. While regular physical activity is recognized for its psychological and cognitive benefits, the precise molecular mechanisms—particularly the role of estrogen receptors (ER) in different brain regions—remain poorly understood. Furthermore, although exercise has prophylactic potential in various neurological conditions, it remains unclear whether physical activity performed before hormonal decline can effectively buffer against subsequent perimenopausal symptoms. Therefore, this study utilized a 4-vinylcyclohexene diepoxide (VCD)-induced mouse model to investigate whether voluntary exercise performed either before (prophylactic) or during (interventional) the perimenopausal transition alleviates anxiety-like behavior and cognitive decline by modulating brain ER expression.
Behavioral assessments revealed that interventional exercise (IE) significantly attenuated both anxiety-like behavior and cognitive deficits. This was evidenced by increased center exploration in the open field test and significantly enhanced spatial recognition memory in the Y-maze spatial recognition test. In contrast, prophylactic exercise (PE) failed to confer statistically significant neuroprotective benefits. These results provide strong empirical support for the "window of opportunity" hypothesis, suggesting that the brain’s responsiveness to behavioral interventions is maximized when the intervention coincides with the active period of hormonal fluctuation rather than preceding it.
At the molecular level, the IE group specifically remodeled subcortical estrogen signaling by significantly downregulating hypothalamic ERα expression and reducing the ERα/ERβ ratio, thereby balancing the neural circuits responsible for emotional distress. Interestingly, while no significant alterations in ER expression were observed in the hippocampus or prefrontal cortex, IE significantly suppressed the levels of the pro-inflammatory cytokine TNF-α in the hippocampus. Notably, the expression of BDNF and GFAP remained stable across all groups, indicating that the cognitive improvements were likely driven by the mitigation of neuroinflammatory damage rather than through direct neurotrophic induction or the reversal of astrocyte activation.
Collectively, these findings demonstrate that voluntary exercise initiated during the perimenopausal transition is a superior strategy for promoting emotional and cognitive resilience. The results propose a "dual-pathway" mechanism of exercise-induced neuroprotection: interventional exercise mitigates anxiety via an ER-mediated pathway in the hypothalamus, while it preserves cognitive function through a non-ER-mediated anti-inflammatory pathway in the hippocampus. This study highlights the necessity of optimizing exercise timing to coincide with the period of hormonal instability to maximize therapeutic efficacy for women’s brain health during the menopausal transition.

국문 초록 (Abstract)

폐경 이행기는 에스트로겐 수치가 요동치며 점진적으로 감소하는 결정적인 신경내분비적 전환기로, 이 시기 많은 여성들은 새로운 불안 증상의 발현이나 인지 기능 저하를 경험한다. 규칙적인 신체 활동이 심리적·인지적 이점을 제공한다는 사실은 널리 알려져 있으나, 뇌 영역별 에스트로겐 수용체의 역할을 포함한 구체적인 분자적 기전은 여전히 명확하지 않다. 또한, 운동이 다양한 신경학적 질환에서 예방적 효과를 갖는 것으로 알려져 있음에도 불구하고, 호르몬 저하가 시작되기 전 수행된 신체 활동이 이후 발생하는 폐경 이행기 증상을 효과적으로 차단할 수 있는지는 불분명하다. 이에 본 연구는 4-vinylcyclohexene diepoxide(VCD)로 유도된 폐경 생쥐 모델을 사용하여, 폐경 이행기 전(예방 운동) 또는 이행기 중(중재 운동) 수행된 자발적 운동이 뇌 내 ER 발현 조절을 통해 불안 유사 행동과 인지 저하를 완화하는지 규명하고자 하였다.
행동 평가 결과, 중재 운동(IE)은 오픈필드 검사에서의 중심 영역 탐색 활동을 증가시키고 Y-미로 검사에서의 공간 인식 기억력을 유의하게 향상함으로써 불안 유사 행동과 인지 결핍을 모두 완화하였다. 반면, 예방 운동(PE)은 통계적으로 유의미한 신경 보호 효과를 제공하지 못했다. 이러한 결과는 행동 중재에 대한 뇌의 반응성이 중재 시점 이전보다 호르몬이 불안정한 활동기와 일치할 때 극대화된다는 “기회의 창” 가설을 뒷받침한다.
분자 수준에서 중재 운동은 시상하부의 에스트로겐 수용체 알파 발현과 에스트로겐 수용체 알파/베타 비율을 유의하게 하향 조절함으로써 정서적 조절을 담당하는 하부 뇌 회로를 재구성하였다. 흥미롭게도 해마나 전전두엽에서는 에스트로겐 수용체 발현의 유의한 변화가 관찰되지 않았으나, 중재 운동은 해마 내 전염증성 사이토카인인 TNF-alpha의 수치를 유의하게 억제하였다. 특히 모든 집단에서 BDNF와 GFAP 수치가 일정하게 유지된 점은, 본 모델에서 인지 기능의 향상이 직접적인 신경영양인자 유도나 성상세포 활성의 역전보다는 신경염증 손상의 완화를 통해 이루어졌음을 시사한다.
종합적으로, 본 연구의 결과는 폐경 이행기 동안 시작된 자발적 운동이 정서적·인지적 회복탄력성을 촉진하는 데 있어 더욱 우월한 전략임을 보여준다. 또한 운동이 시상하부에서는 ER 매개 경로를 통해 불안을 완화하고, 해마에서는 비-ER 매개 항염증 경로를 통해 인지 기능을 보호한다는 "이중 경로” 기전을 제시한다. 본 연구는 폐경 이행기 여성의 뇌 건강을 위한 치료적 효능을 극대화하기 위해 호르몬 불안정기에 맞춘 운동 시기 최적화의 필요성을 강조한다.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• 1. Need for research 1
• 2. Purpose of research 4
• 3. Hypotheses 4
• II. Study Background 5
• 1. Perimenopausal anxiety and cognitive impairments 5
• 2. VCD-induced menopause model 6
• 3. Exercise on anxiety and cognitive function 8
• 4. Estrogen receptors 11
• 4.1 Estrogen receptors on anxiety and cognitive function 11
• 4.2 Perimenopause and estrogen receptors 13
• 4.3 Exercise and estrogen receptors 13
• III. Materials and Methods 16
• 1. Animal experiment 16
• 1.1 Animal care 16
• 1.2 Voluntary exercise protocol and VCD mouse model of menopause 16
• 2. Behavior test 17
• 2.1 Open field test 18
• 2.2 Elevated plus maze test 18
• 2.3 Y-maze spontaneous alternation test 18
• 2.4 Y-maze recognition memory test 19
• 2.5 Novel object recognition test 19
• 3. ELISA 20
• 4. Hematoxylin and eosin staining 20
• 5. Western blot 21
• 6. Statistical analysis 21
• IV. Results 23
• 1. VCD induced follicle depletion 23
• 2. Effects of prophylactic and interventional exercise on mice body, muscle and uterus weight 25
• 3. Effects of prophylactic and interventional exercise on anxiety-like behavior 28
• 4. Effects of prophylactic and interventional exercise on cognitive and memory function 30
• 5. Effects of voluntary exercise on estrogen receptor expression in the hypothalamus 32
• 6. Effects of voluntary exercise on estrogen receptor expression in the hippocampus and prefrontal cortex 34
• 7. Effects of voluntary exercise on Neuroinflammation and BDNF expression in the hippocampus and prefrontal cortex 37
• V. Discussion 41
• VI. Conclusion 45
• VII. Reference 46
• VIII. Abstract (Korean) 58