Променено предаване на норепинефрин след пространствено обучение уврежда медиираната от съня консолидация на паметта при плъхове

Терапевтичната употреба на норадренергични лекарства прави оценката на техните ефекти върху познавателната способност с висок приоритет. Норепинефринът (NE) е важен невромодулатор за различни когнитивни процеси и може да допринесе значително за медиираната от съня консолидация на паметта. Предаването на NE варира в зависимост от поведенческото и/или мозъчното състояние и влияе върху свързаната невронна активност. Тук ние оценихме ефектите от промененото предаване на NE след научаване на зависима от хипокампа задача върху невронната активност и пространствената памет при възрастни мъжки плъхове.

Все повече изследвания показват, че норепинефринът е тясно свързан с паметта. Норепинефринът е невротрансмитер, който играе важни роли в тялото, една от които е насърчаването на формирането и съхранението на паметта.

Основната функция на епинефрина е да стимулира нервната система и да подобри концентрацията и бдителността. Това са характеристики, тясно свързани с паметта. Когато сме в стресова ситуация, нивата на адреналин се покачват, поставяйки мозъка в състояние на висока готовност и улеснявайки запомнянето на важна информация.

В допълнение, епинефринът може да има дългосрочни ефекти върху формирането на паметта. Скорошни изследвания установиха, че когато спомените се активират многократно, нивата на епинефрин се повишават, което спомага за подобряване на запазването и постоянството на паметта.

В допълнение към горните ефекти, епинефринът може също да повлияе на формирането и съхранението на спомени, като повлияе на взаимодействието между невроните в мозъка. Този ефект може да насърчи формирането и запазването на спомени чрез регулиране на свързаността на невронните мрежи.

В обобщение, епинефринът има важна връзка с паметта. Трябва да поддържаме положително отношение и да се съсредоточим върху упражняването на тялото и мозъка си, за да повишим нивата на адреналин, като по този начин подобрим паметта и когнитивните си способности. Вижда се, че трябва да подобрим паметта и Cistanche deserticola може значително да подобри паметта, тъй като Cistanche deserticola е традиционен китайски лекарствен материал, който има много уникални ефекти, един от които е да подобрява паметта. Ефикасността на мляното месо идва от различните активни съставки, които съдържа, включително киселина, полизахариди, флавоноиди и др. Тези съставки могат да насърчат здравето на мозъка по различни начини.

Кликнете върху Познаване на краткосрочната памет как да се подобри

Приложихме клонидин (0.05 mg/kg, ip; n= 12 плъхове) или пропранолол (10 mg/kg, ip; n= 11) след всяка от седемте дневни сесии за обучение на 8-раменен радиален лабиринт. В сравнение с групата на физиологичен разтвор (n= 9), лекуваните с лекарства плъхове показват по-ниски нива на учене. За да оценим ефектите на лекарствата върху кортикалната и хипокампалната активност, ние записахме префронтална ЕЕГ и местни полеви потенциали от подполето CA1 на дорзалния хипокампус за 2 часа след всяка сесия на обучение или приложение на лекарството. И двете лекарства значително намаляват броя на вълните на хипокампа за най-малко 2 часа. Оценка на съня, базирана на ЕЕГ, разкрива, че клонидинът ускорява настъпването на съня, като същевременно удължава тихото бодърстване.

Пропранололът повишава активното будност за сметка на съня без бързо движение на очите (NREM). Клонидинът намалява появата на бавни трептения (SO) и сънни вретена по време на NREM сън и променя времевото свързване между SO и сънни вретена. По този начин фармакологичната промяна на предаването на NE доведе до неоптимално състояние на мозъка за консолидиране на паметта. Нашите резултати предполагат, че NE след обучението допринася за ефективността на хипокампално-кортикалната комуникация, която е в основата на консолидацията на паметта.

Клиничната употреба на норадренергични лекарства оценява техните ефекти върху когнитивните функции от голямо значение1,2. Клонидин и пропранолол са сред най-често предписваните лекарства. Клонидин се използва като антихипертензивно и аналгетично средство, но също така се предписва за лечение на нарушения на съня, а отскоро и за лечение на разстройство с дефицит на вниманието и хиперактивност (ADHD) и болестта на Паркинсон1,3,4. Пропранолол се използва за лечение на няколко сърдечно-съдови състояния и тревожност5.

Въпреки очевидните ползи за здравето, фармакологичната промяна на нивата на норепинефрин (NE) може, като страничен ефект, да наруши когнитивните способности на пациентите. Основната роля на предаването на NE за съзнателно (или „онлайн“) обработване на информация е добре установена2,6, 7. По-ранни проучвания подчертаха важността на NE също по време на безсъзнателни (или „фини“) състояния като сън8–10, когато се извършват индуцирани от обучението молекулярни, синаптични и верижни модификации11. По време на съня след обучението, първоначално лабилните следи от паметта се стабилизират чрез реактивиране на кодиращи паметта невронни представяния в хипокампуса (HPC) и впоследствие се интегрират в неокортекса за дългосрочно съхранение12.

Доказано е, че фармакологичната промяна на нивото на NE след учене повлиява консолидацията на паметта при животни 13–18 и хора 9, 10, 19, 20. Освен това, поведенческите фармакологични проучвания са в съответствие с улесняващата роля на NE за синаптичната пластичност 21–25. Въпреки обширните доказателства, предоставени от психофармакологията за ролята на NE за кодиране и консолидиране на паметта, динамиката на предаването на NE след обучението не е систематично характеризирана. Скорошни проучвания чрез наблюдение на освобождаването на NE с висока времева разделителна способност при мишки със спонтанно поведение допълнително усъвършенстваха по-ранна работа и предложиха роля на освобождаването на NE за непрекъснатостта на съня без бързо движение на очите (NREM) и консолидацията на паметта, медиирана от NREM сън26,27

Неокортикалните бавни (~1 Hz) трептения (SO), таламокортикалните сънни вретена (10–16 Hz) и хипокампалните вълни (~150 Hz) са отличителните белези на NREM съня и са идентифицирани като ключовите трептения, позволяващи зависимите от съня системни нива консолидация на паметта28. Въздействието на NE във времево координирана дейност в рамките на поддържаща паметта кортико-хипокампална мрежа остава недостатъчно разбрано11. Измерването чрез микродиализа на префронталното освобождаване на NE при плъхове открива преходно увеличение ~ 2 часа след разграничаване на миризмата, докато блокира префронталните -адренорецептори след научаване, причинено от дефицит на паметта29. В дорзалната HPC е необходимо активиране на -адренорецепторите за ефективната консолидация на емоционалната и пространствена памет 30, 31. Както 1-, така и -адренергичните рецептори участват в генерирането на сънни вретена и хипокампални вълни26,32,33. Преди това документирахме повишена активност на норадренергичните неврони на Locus Coeruleus (LC) по време на NREM сън след обучение34 и тяхната координирана изпичане със SO35. В нашето скорошно проучване ние показахме, че при анестезирани плъхове фазовото активиране на LC модулира динамиката на кортикалната популация във времевата скала на единичен SO цикъл. И накрая, промяната на натуралистичните модели на активност на LC по време на NREM сън доведе до дефицит на паметта 37, 38.

В настоящото проучване свързахме дефицита на пространствено обучение с променена невронна активност в мрежата, поддържаща паметта. За да променим предаването на NE, използвахме клонидин и пропранолол, две клинично значими лекарства. Клонидинът потиска задействането на LC-NE невроните чрез активиране на 2-адренорецепторите и намалява освобождаването на NE от LC терминалите39. Пропранололът блокира предаването на NE чрез свързване с -адренорецепторите и след многократно лечение в умерена доза (< 40 mg/kg) inhibits the LC activity40,41. We report that the alteration of NE transmission during the post-acquisition period impaired spatial learning. The reduction of SO, sleep spindles, and hippocampal ripples together with the appearance of high voltage spike-and-wave patterns (HVS) was indicative of a pharmacologically induced switch to a brain state that was likely suboptimal for memory consolidation. Our results further support the view that NE transmission during NREM sleep importantly contributes to information processing within the thalamocortical and hippocampal-cortical networks, which are thought to mediate systems-level memory consolidation.

Резултати

Резултатите са получени от възрастни (300—400 g) мъжки плъхове Sprague-Dawley (n=38), разделени на случаен принцип в три лекарствени условия (клонидин, пропранолол и физиологичен разтвор). Условията за всеки плъх и включването/изключването на данни са изброени в допълнителна таблица S1.

Клонидинът и пропранололът след обучението причиняват дефицит на пространствена памет.

Ние обучихме общо 32 плъха на задача за пространствена памет по време на седем ежедневни сесии (Фиг. 1а; вижте Допълнителните методи за подробности). Двадесет и шест плъха бяха имплантирани с хронични електроди за наблюдение на фронталната ЕЕГ и локалните полеви потенциали (LFP) в хипокампус (вижте Методи за подробности). Допълнителни 6 плъха бяха непокътнати (неимплантирани), но следваха същия протокол за обучение/лекарство. Важно е, че няма разлика в скоростта на обучение между имплантираните и неимплантираните плъхове (допълнителна фигура S1). Веднага след всяка сесия на обучение плъховете получават клонидин (0.05 mg/kg, ip; n=12), пропранолол (10 mg/kg, ip; n=11 ), или физиологичен разтвор (1 ml/kg, ip; n=9). В първата (без наркотици) учебна сесия не е имало разлика между групите по която и да е поведенческа променлива (допълнителна таблица S1). В хода на обучението, всички плъхове активно влизат в различни рамена на лабиринт (фиг. 1b) и събират всички награди почти във всеки опит (фиг. 1c); този поведенчески модел не показва разлика между групите в общата двигателна активност или мотивацията за храна. Повечето поведенчески променливи отразяват динамиката на обучението. Точността на изпълнението на задачата постепенно се увеличава (повторени измервания ANOVA, F (3.7,106.6)=12.0, p<0.0001; Fig. 1d) with the between-group difference approaching a significance level (F (2,29)=3.33, p=0.05). The overall number of errors was significantly higher in the drug-treated rats (Fig. 1e). There was a significant effect of repetition (F (5,145)=11.0, p<0.001) and between-group difference by the number of errors (F(2,29)=7.34, p=0.003). The post-hoc comparisons confirmed a higher number of errors in the drug-treated groups (clonidine: p=0.031, propranolol: p=0.002; Bonferroni post-hoc comparisons vs. saline). Notably, propranolol-treated rats made the most errors during the first trial (Fig. 1f); the latter was indicative of a memory retrieval defect. To further explore the nature of spatial memory deficit, we split the errors into working memory (WM, re-entering the maze arm within a trial) and reference memory (RM, entering unbaited maze arm) errors. There was a significant between-group difference by both WM (F (2, 29)=8.0, p=0.002) and RM (F (2, 29)=5.0, p=0.014). The posthoc comparisons showed that drug-treated rats committed significantly more RM errors (Fig. 1g). Besides, the propranolol-treated rats also made more WM errors (Fig. 1g). Despite obvious spatial memory deficit at the early stages of learning, all rats reached a similar performance level by the end of the learning period (Fig. 1d,e). The trial time was decreasing (F (3.5, 102.4)=16.1, p<0.0001), yet equally in all groups (time: F (2,29)=0.43, p=656). Finally, we used the K-means cluster analysis to split rats according to their learning speed (see Methods for details). Indeed, individual rats learned the task at different rates (Fig. 1h). Remarkably, the proportion of 'slow' learners was much higher among the drug-treated rats (Fig. 1i).

Клонидин и пропранолол потискат хипокампалните вълни.

Ние оценихме ефектите на клонидин и пропранолол върху вълните на хипокампа като ключови елементи на консолидацията на паметта12. Ретроспективен анализ разкри, че при 14 от 26 плъха, които първоначално са имплантирани и обучени в лабиринта, откриването на вълни не е надеждно поради различни технически повреди. Следователно, за да се увеличи размерът на пробата, ЕЕГ и хипокампалните LFPs бяха записани от допълнителни 6 плъха, които бяха третирани с лекарства, но не бяха тествани върху лабиринта (допълнителна фигура S1). По този начин ефектите на лекарствата върху вълните на хипокампа са тествани при 24 плъха (клонидин, n=8; пропранолол, n=9 и физиологичен разтвор, n=7; Допълнителна таблица S1). И двете лекарства значително намаляват скоростта на пулсации за най-малко 2 часа след инжектирането (F(2, 23)=13.27, p=0.0002; Фиг. 2a-d). Класифицирането на поведението на плъхове в активно будно състояние (AW), тихо будно състояние (QW) и NREM сън (вижте Методи за подробности) разкри, че най-изразеният ефект на двете лекарства се проявява по време на NREM сън в сравнение с епизодите на AW и QW (Таблица 1). А именно, в сравнение с групата на физиологичен разтвор (n=7), степента на потискане на вълните по време на NREM сън варира от 40,1% до 91,3% след клонидин (n=8) и от 2,3% до 86 .6% след инжектиране на пропранолол (n=9). Освен впечатляващото намаляване на скоростта на пулсациите, не са разкрити лекарствени ефекти върху присъщите свойства на пулсациите (амплитуда: F(2, 23)=1). 12, p=0.34; мощност: F(2, 23)=3.3, p=0.056; честота на вътрешна пулсация: (F(2, 23){{ 45}}.40,p=0.11), с изключение на по-дългата продължителност на пулсации след клонидин (F(2, 23)=11.47, p=0.0004; Фиг. 2d–f).

Ефекти на клонидин и пропранолол върху поведенческото състояние и свързаните със съня ЕЕГ колебания. След изключване на невалидни ЕЕГ данни (n{{0}} плъхове), ЕЕГ-базираните анализи бяха извършени с помощта на общо 21 набора от данни (клонидин, n=6; пропранолол, n{{4} } и физиологичен разтвор, n=6; Допълнителна таблица S1). В допълнение към ефектите върху активността на популацията на хипокампа, и двете лекарства повлияват модела на спонтанно поведение. Имаше разлика между групите в общото време, прекарано във всяко поведенческо състояние (AW: F(2, 20)=4.09, p=0.034; QW:F(2, 20){{ 16}}.84, p=0.021; NREM: F(2, 20)=4.66, p=0.023). По-конкретно, по време на периода на наблюдение след 2 часа след инжектирането, клонидинът удължава QW, докато пропранололът удължава AW и съкращава NREM съня (допълнителна фигура S2). Нито едно лекарство не повлиява средната продължителност на епохата в нито едно от поведенческите състояния (F(2, 20) ⩽ 2.57, p ⩾ 0.10 за всички). Лекият седативен ефект на клонидин се отразява чрез по-бързо заспиване (допълнителна фигура S2).

Освен това, префронталната ЕЕГ беше засегната по специфичен за лекарството начин (фиг. 3a-c). По-конкретно, клонидинът повишава сигма (10–16 Hz) мощност по време на AW и QW, като същевременно я намалява по време на NREM сън (фиг. 3d–f). Освен това, по време на NREM сън при плъхове, лекувани с лекарства, делта (< 2 Hz) power was decreased and the power within the 5–7 Hz frequency range was increased due to the appearance of HVS (Fig. 3f). Te observed changes in the EEG power spectrum reflected drug-induced modulation of the oscillatory events like SO and sleep spindles (Figs. 3a–c and 4). In clonidine-treated rats, the SO was less frequent (Table 1) and of smaller amplitude (Supplementary Figure S3). There was no effect on the SO (half-wave) duration (F(2, 20)=2.55, p=0.11). The effect of clonidine on SO was almost immediate and lasted at least for 2 h (Fig. 4d). In clonidine-treated rats, the spindles were more frequent during AW and QW, while their occurrence was decreased during NREM sleep (Table 1). Notably, the effect of clonidine was delayed (Fig. 4h). Te spindle power was significantly decreased by clonidine (Supplementary Figure S3). No change was detected in the spindle length (F(2, 20)=0.08, p=0.92) or the intra-spindle frequency (F(2, 20)=1.09, p=0.36). Te clonidine-induced effects persisted across repeated drug treatments (Supplementary Figure S3). The SO and sleep spindles were unaffected by propranolol (Fig. 4d,h, and Supplementary Figure S3).

След това оценихме ефекта на лекарството върху времевото свързване между SO и вретената на съня, добре установен феномен, който беше предложен като механизъм на мрежовата координация, лежаща в основата на фината консолидация 42–44. За тази цел избрахме NREM епизоди на сън и извлякохме вретена, възникващи в рамките на ± 1, 5 около отрицателния пик на SO. Като цяло, около 1/3 от вретената са били SO-свързани (F(2, 20)=1.03, p=0.38); въпреки това групирането на вретеното около отрицателния пик на SO е разделено между групи (фиг. 4i–l). При плъхове, третирани с физиологичен разтвор и пропранолол, вретената се появяват за предпочитане по протежение на възходящата фаза на SO, достигайки максималните ms след отрицателния пик на SO, докато при плъхове, третирани с клонидин, вретената се групират около отрицателния пик на SO (фиг. 4l).

И накрая, прилагането на клонидин насърчава HVS, преходни колебания с висока амплитуда, които рядко се появяват в условия без лекарства (Таблица 1 и допълнителна фигура S4). Първият HVS се появи толкова бързо, колкото 8,4 ± 1.0 min (диапазон: 5,4 – 11,3 min) след инжектиране на клонидин, което беше много по-рано, отколкото след физиологичен разтвор (24,6 ± 2,3 min) (диапазон: 16,6 – 30,7 min) или пропранолол (27,6 ± 6,2 минути) (диапазон: 7,7 – 62,2 минути).

Забележително е, че при 5 от 6 (83,3%) плъхове, третирани с клонидин, и 5 от 9 (55,5%), третирани с пропранолол плъхове, HVS са открити по време на AW състояние, докато HVS отсъстват по време на AW в 5 от 6 физиологични разтвора -третирани плъхове. При плъхове, третирани с клонидин, скоростта на HVS е по-висока през първия час след инжектиране и този ефект остава през дните (допълнителна фигура S4). Освен това клонидинът увеличава продължителността на HVS (допълнителна фигура S4) и намалява честотата между HVS (F(2, 20)=7.94, p=0.003). Силата на HVS не се повлиява от клонидин (F(2, 20)=2.28, p=0.13). Няма забележими ефекти на пропранолол върху HVS (допълнителна фигура S4).

Дискусия

В настоящото проучване ние показахме, че многократното прилагане на клонидин (0.05 mg/kg, ip) и пропранолол (10 mg/kg, ip) след ежедневно излагане на задача 8-радиален лабиринт на ръката нарушена консолидация на пространствената памет при възрастни мъжки плъхове. Дефицитът на пространствена памет при плъхове, третирани с лекарства, е очевиден в по-голям брой WM и RM грешки. Предишни проучвания сочат благоприятен ефект на NREM съня върху WM, вероятно поради повишена SOактивност и потенциране на префронтално-автономни мрежи 45, 46. Наистина, парасимпатиковата активност се увеличава по време на NREM сън и е вероятно да насърчи освобождаването на NE от LC чрез вагусови входове45. От друга страна, свързването на couleur-SO по време на NREM сън35 може да поддържа префронтално зависимо WM представяне на следващия ден45. Нашите резултати индиректно подкрепят тази хипотеза, тъй като фармакологичното потискане на активността на LC-NE по време на периода след обучение може наистина да е повлияло на префронталната функция, която е от съществено значение за капацитета на WM. По-ниската точност на пространствената памет, която се отразява в грешките на RM, показва ефекта на лекарствата върху медиираната от пулсации хипокампална кортикална комуникация, ключов компонент на консолидацията на системно ниво28. И накрая, най-силният дефицит на паметта в началото на обучението показва значението на предаването на NE за фина обработка на новополучената информация8–10.

По-ниската степен на обучение при повечето плъхове, лекувани с лекарства, вероятно е свързана с променена мозъчна активност, свързана със съня. Наистина, фармакологичната промяна на предаването на NE повлиява свързаната със съня невродинамика в таламокортикалните и хипокампалните мрежи, които са замесени в консолидацията на паметта на системно ниво28. По-конкретно, и двете лекарства драстично намаляват появата на хипокампални вълни, за които се смята, че медиират стабилизирането на клетъчните сглобки, кодиращи паметта 12,47. Нашите резултати показаха, че механизмът за генериране на пулсации изисква оптимално ниво на NE, докато както повишената, така и намалената LC-NEактивност е неблагоприятна за пулсациите. По този начин предизвиканото от лекарството потискане на вълните по време на периода след обучението може да обясни дефицита на пространствена памет. Този резултат е в съответствие с дефект в обучението, причинен от потискане на електрически вълни48,49. Доколкото ни е известно, норадренергичните ефекти върху хипокампалните вълни все още не са характеризирани при поведение на животни. Освен ефекта си върху хипокампалните вълни, клонидинът, но не и пропранололът, потиска SO и сънните вретена, което е в съответствие със съществуващата литература50,51; той също промени SO-шпинделния съединител.

Въпреки че сравнително кратък (~ 2 часа) период на наблюдение не позволява характеризиране на цикъла сън/бодърстване, лекарствените ефекти върху префронталната ЕЕГ като цяло са в съответствие със съществуващата литература 50, 51. Наблюдавахме специфични за лекарството ефекти върху модела на сън/събуждане и спектъра на мощността на ЕЕГ. А именно, клонидинът причинява леко седиране чрез ускоряване на началото на съня и удължаване на QW, докато пропранололът повишава AW за сметка на NREM съня. И двете лекарства намаляват мощността на ЕЕГ в рамките на ниска (<2 Hz) frequency range and increased 5–7 Hz power during NREM sleep due to the appearance of the HVSs; clonidine also reduced the sigma (10–16 Hz) power. The effects of clonidine were overall more pronounced, lasted for at least 2 h, and were consistent across daily injections. Of note, the aforementioned effects were observed during the dark (active) phase of the rat circadian cycle, while the drug-induced effects may differ during the light (inactive) phase as well as during the extended post-administration period.

По-ранни фармакологични проучвания многократно са демонстрирали, че модулирането на предаването на NE след обучението е повлияло на силата на паметта 13–15,18,29,52,53. По-високата активност на LC-NE по време на състояния на бдителност подтикна изследването на неговата роля в обработката на онлайн информация 6, 7, докато ролята на норадренергичната модулация на мозъчните мрежи по време на състояния на ниска бдителност, като сън, дълго остава извън фокуса. Няколко проучвания подчертават важността на NE, действащ чрез -адренорецептори 30,31 за зависима от хипокампа консолидация на паметта 10,37,38,54,55. Добре установено е, че NE насърчава дългосрочна синаптична пластичност 21–25, която се случва често. В нашето по-ранно проучване ние съобщихме, че относително спокойствие на LC-NE невроните по време на NREM сън е прекъснато от преходни пристъпи на активност, които е по-вероятно да се появят след учене. Оптогенетичната промяна на LCactivity по време на NREM сън влошава представянето на плъхове при задача, зависима от хипокампуса. Две скорошни проучвания чрез измерване на кортикалното освобождаване на NE демонстрират свързването на LC-вретено в инфра-бавна времева скала.

Освен пиковете на норадренергичната активност след обучението 29, 34, временно координирано ангажиране на LC-NE невроните може да повлияе на мрежите на inine. Въпреки че точният механизъм, управляващ динамиката на активността на LC по време на сън, е неизвестен, съществуват времеви връзки между нивото на NE и свързаните със съня колебания. Скоростта на захранване на LC-NE невроните се увеличава по време на вретената на съня и намалява преди началото на вретеното57. По-рано демонстрирахме временно свързване между задействането на LC-NE неврон и фаза на SO35.

В нашето скорошно проучване при плъхове под уретанова анестезия, ние показахме, че фазовото LC активиране удължава кортикалното състояние на повишена възбудимост и повишава скоростта на изстрелване на префронталните неврони36. По-рано сме докладвали, че предизвиканата от вълни електрическа LC стимулация е довела до дефект на пространствената памет, вероятно поради намеса в ендогенния модел на активност на LC. В настоящото ни проучване индуцираното от клонидин потискане на освобождаването на NE повлия на мрежата за генериране на вретено, което вероятно нарушава свързването на LC-шпиндела. Въпреки кортикалния произход на SO, субкортикалните входове от таламуса 58 и невромодулаторните ядра 59, включително LC36, 60, влияят върху пространствено-времевата динамика на SO. NE-медиираната модулация на динамиката на SO е допълнително потвърдена от настоящите констатации. По-конкретно, ние показахме, че клонидинът потиска генерирането на SO, намалява амплитудата на SO и повлиява свързването на SO-вретено. Смята се, че епизодите на свързване на SO-вретено показват активиране на учебното съдържание, като прецизността на свързване предсказва силата на повторно активиране, която е полезна за паметта61–63. По този начин междурегионалното времево свързване, което е ключов елемент от консолидацията на системно ниво, може да изисква оптимално ниво на NE. Силата на свързването на SO-вретено и вретено-пулсации може да зависи от модела на задействане на LC-NE неврони и времето на освобождаване на NE. Времевата и пространствена промяна на предаването на NE може да доведе до по-малко ефективна обработка и дефицит на паметта. Има належаща необходимост да се проучат по-нататък функционалните последици от тази фино настроена времева връзка между LC-NE невронализиране и свързаните със съня трептения. Най-важното е, че тригерите за координиран изблик на невромодулаторна активност по време на сън остават да бъдат определени.

Като цяло нашите резултати предполагат, че е необходимо оптимално ниво на NE за ефективна обработка на информацията. Натрупаните експериментални доказателства и нашите настоящи открития подкрепят мнението, че освобождаването на NE по време на фини състояния насърчава както синаптичната, така и консолидацията на системно ниво8,11. Промяната на предаването на NE засяга по същество всички таламокортикални и хипокампални трептения, замесени в консолидацията на паметта на системно ниво. Обширните проекции на LC-NE невроните в целия мозък64 предоставят множество начини за NE да повлияе на координираната активност в мрежите, поддържащи паметта, включително таламокортикалните, префронтален и лимбичен, където възникват SO, вретена на съня и вълни12,65,66. Бъдещите проучвания ще изследват по-подробно норадренергичните механизми, лежащи в основата на появата, поддържането и повторното активиране на широкомащабна мрежа, поддържаща паметта.

Въпреки различните механизми на действие е доказано, че и двете лекарства намаляват активността на LC. Трябва да се отбележи, че инхибиторният ефект на клонидин in vitro е по-силен върху хипокампалните в сравнение с префронтално проектираните LC-NEневрони68. Клонидинът главно потиска пресинаптичното освобождаване на NE чрез 2-адренорецептори, а пропранололът блокира предаването на NE чрез –адренергични рецептори. Освен това пропранололът може да инхибира повторното поемане на NE, да потенцира предаването на NE при 1-адренорецепторите и да намали допаминергичното предаване поради инхибиране на катехоламиносинтезата69; може също така да повлияе на серотонинергичното предаване поради афинитета си към централните 5-HT рецептори70. Конвергентните ефекти на две клинично значими норадренергични лекарства, въпреки тяхното действие върху различни адренорецептори, предполагат, че фармакологично промененото предаване на NE по време на периода след обучението може да попречи на поддържащата паметта мрежа и да причини когнитивен страничен ефект от терапевтичната употреба на тези лекарства.

Методи

Използвахме 38 мъжки плъха Sprague–Dawley (300 – 400 g, Charles Rivers Laboratories, Sulzfeld, Германия). Съоръжението за животни имаше контролирани от околната среда условия: 12-часов цикъл светлина/тъмнина (светлините се изключват в 8:00 ч.), температура 20–23 градуса и 40–60% влажност. Плъховете бяха настанени по двойки или поотделно и имаха ad libitum достъп до храна и вода, с изключение на ограничението на храната (~15 g хранителни пелети на плъх на ден) по време на експеримента за обучение. Теглото на плъха се контролира ежедневно, за да се гарантира, че то не е под 85% от теглото на плъха в свободно състояние. Всички експерименти бяха проведени в пълно съответствие с Директива 2010/63/ЕС на Европейския парламент, Германския закон за хуманно отношение към животните (TierSchG) и Наредбата за хуманно отношение към животните за лабораторни животни (TierSchVersV). Проучването беше прегледано от регионалната комисия за хуманно отношение към животните съгласно §15 от германския Закон за хуманно отношение към животните (Kommission nach §15 des Tierschutzgesetzes), комисията по етика (§15 TierSchG) и одобрено от държавния орган (Regierungspräsidium, Tübingen, Baden-Württemberg). , Германия, Referat 35, Veterinärwesen). Настоящото проучване се извършва съгласно указанията на ARRIVE (https://arriveguidelines.org).

Хирургични и електрофизиологични записи. Хирургичните и записващите процедури са описани подробно другаде 38,71. Накратко, анестезиран с изофлуран (5% за индукция,~2% за поддръжка) плъх беше фиксиран в стереотаксична рамка (David Kopf Instruments, Tujunga, СА) с ъгъл на главата, регулиран на нула градуса. Локален анестетик (Lidocard 2%, B. Braun, Melsungen, Германия) беше инжектиран подкожно преди краниотомията за въвеждане на електрода. За електроенцефалограмата (ЕЕГ) два винта от неръждаема стомана (диаметър 0.86 mm) бяха фиксирани над префронталния кортекс и малкия мозък. Два единични платинено-иридиеви електрода (FHC Inc., Bowdoin, ME), залепени заедно с разстояние от 100 до 200 µm между върховете, бяха монтирани на домашно направено подвижно устройство и имплантирани в дорзалния HPC ( AP=-3.5 mm, L=2.0 mm, DV=2.0 mm). Онлайн наблюдението на невронната активност гарантира точно насочване на зоната CA1 на дорзалната HPC по време на електродеимплантацията. Подвижното устройство позволява допълнително регулиране на дълбочината на електрода за оптимално записване на пулсации по време на обучение в лабиринт. За електромиография (EMG) в мускула на врата беше вкаран електрод от сребърна жица. Към черепа беше залепена 3D отпечатана пластмасова рамка, свързана с медна мрежа за защита на проводниците на електрода и изолация от електрически шум. Бяха наблюдавани телесната температура (~37 градуса), сърдечната честота и оксигенацията на кръвта (над 90%). По време на 5-7 дни следоперативно възстановяване, плъховете са лекувани с антибиотик (10 mg/kg, ip, Baytril, Bayer) и болкоуспокояващо (5 mg/kg, ip, Rymadil, Zoetis).

След възстановяване след операцията плъховете бяха привикнати към кутията за сън (черен плексиглас, 20×20×80 cm) и процедура за кабелна връзка. Имплантът беше свързан към Neuralynx Digital Lynx система за придобиване (Neuralynx, Bozeman, MT) чрез 32-канална глава (Neuralynx, Bozeman, MT) и специално изработен адаптер (SSD10-SS- GS, Omnetic, Минеаполис, Минесота). Широколентови (0,1 Hz—8 kHz) извънклетъчни сигнали от EEG и HPC електроди бяха дигитализирани при 32 kHz. Поставянето на електрода в HPC беше оптимизирано за откриване на пулсации най-малко 24 часа преди началото на записа. Всяка записваща сесия започва по едно и също време за всяко животно и продължава 2 часа. Този период на наблюдение е избран въз основа на предишни доказателства, че ранната фаза на фина консолидация зависи от NE8. Записът е направен при слаба светлина и по време на активната (тъмна) фаза на циркадния ритъм, който е най-оптимален за обучение на плъхове.

Задача за пространствена памет.

Същата задача за лабиринт и протокол за обучение бяха използвани, както е описано подробно на друго място 38. Плъховете бяха обучени на повдигнат радиален лабиринт с осем рамена (фиг. 1а). Ръцете на лабиринта (66 см дължина × 10 см ширина) с малка яма (1 см диаметър) в края за награда за храна (шоколадово мляко), изтеглена от централна платформа (30 см диаметър). Две големи визуални знаци бяха фиксирани върху черните завеси около лабиринта. По време на интервала между опитите, плъх се поставя на повдигната стойка. Поведението на плъховете беше видеонаблюдавано. След привикване и предварително обучение (допълнителни методи), 3 от 8 лабиринтни ръце бяха примамени; местоположенията за награди бяха определени на случаен принцип за всеки плъх и се поддържаха еднакви за всички тренировъчни сесии (3 опита на ден в продължение на 7 дни). Изпитание започна с поставяне на плъх на централната платформа и продължи, докато всичките 3 награди бяха събрани или изтекоха 5 минути. Повърхността на лабиринта се избърсваше след всеки опит, за да се сведат до минимум обонятелните знаци. Бяха регистрирани и анализирани следните поведенчески променливи: брой посетени рамена на лабиринта, време на изпитание, точност на избора (изчислена като съотношение между примамката и общия брой посетени рамена), грешки в работната памет (WM) (брой повторни влизания в посетените рамена) , грешки в референтната памет (RM) (вписвания в ръце без стръв).

Инжекции с лекарства

Клонидинът и пропранололът на прах (Sigma Aldrich, Burlington, MA) се разтварят във физиологичен разтвор и се инжектират интраперитонеално (ip) в обем от 1 ml/kg веднага след всяка лабиринтна сесия (клонидин: 0.05 mg/kg, ip; пропранолол: 10 mg/kg, ip). Контролните плъхове получават физиологичен разтвор (1 ml/kg, ip). Клонидинът потиска NEтрансмисията72 и в доза от 0,05 mg/kg (ip) е показано при плъхове, че намалява активността на LC до 60% изходно ниво67. Пропранолол, a-адренорецепторен антагонист, след многократно лечение в умерена доза (<40 mg/ kg) inhibits the LC activity40,41. Besides, propranolol in a dose of 10 mg/kg (i.p.) was shown to modulate NEmediated excitability of the hippocampal neurons73 while it did not affect rat spontaneous behavior74–76. The half-life of clonidine may greatly vary between 6 and 23 h depending on the dosage, chronic use, and metabolism level75,77. Typically, the plasma peak levels are reached 60–90 min after clonidine administration. The plasma half-life of propranolol is 3 to 6 h with a peak of 1–3 h after ingestion76. The elimination half-life of propranolol is approximately 8 h (https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Propranolol). This, according to the pharmacokinetics of both drugs, the drug concentration was close to the highest during the observation period of up to 2 h post-injection. Importantly, both drugs are effectively washed out within less than 24 hours.

Перфузия и хистология.

Плъховете бяха евтаназирани (100 mg/kg ip, Narcoren, Merial) и перфузирани транскардиално с 0,9% физиологичен разтвор, последван от 4% параформалдехид. Мозъците бяха нарязани (50 цт) с помощта на хоризонтален микротом за замразяване (Microm HM 440E, Thermo Fischer Scientific, Waltham, MA). За да се провери разположението на електрода, оцветените с Nissl мозъчни срезове бяха изследвани под микроскоп (Axiovision, Zeiss, Oberkochen, Германия).

Откриване на събития.

SO, сънни вретена и вълни на хипокампа бяха открити, както е описано по-рано другаде 71, 78. ЕЕГ сигналът беше понижен до 1 kHz и лентово филтриран (0.3 – 4 Hz). За откриване на SO бяха извлечени нулеви пресичания на филтрирана ЕЕГ, възникващи в рамките на 0.4 до 1- s времеви прозорец. Присвоени са две последователни отрицателни към положителни преминавания през нула с отрицателна пикова амплитуда под 100 μV и отрицателна към положителна пикова амплитуда над 120 μV като SO. За откриване на вретено, лентово (10–16 Hz) филтрирана ЕЕГ беше коригирана и изгладена. Вретената бяха открити чрез амплитуда на сигнала, надвишаваща прага от 1,5 стандартни отклонения (SD) на средния сигнал по време на NREM епохи на сън за 0.4—2.0 s. Вретена, възникващи в рамките на по-малко от 50 ms, бяха стопени. HVS бяха открити с помощта на същия алгоритъм с коригирани параметри (честота на пропускане: 5–7 Hz, праг: 2,5 SD, min/max: 0,7 s/3 s). Две HVS, възникващи за по-малко от 200 ms, бяха слети. За да се предотврати двойно откриване, вретената на заспиване бяха идентифицирани в епохи без HVS. За откриване на пулсации HPC LFP беше лентово (120–250 Hz) филтриран, коригиран и изгладен. Вълните бяха открити чрез амплитуда на сигнала, надвишаваща прага от 3 до 5 SDs за 0,025 до 0,5 s. За всички събития, on- и offsets бяха дефинирани съответно като възходящо и низходящо пресичане на нулата, като се използва праг от 1 SD. Осцилаторната мощност се изчислява като интеграл на обвивката на Хилберт-трансформиран сигнал между събитието on- и offset. Временното свързване на SO-вретено беше оценено, както е описано другаде43. Отрицателният пик на SO беше използван като референтно събитие (t=0), пиковете и спадовете на вретената, възникващи в рамките на ±1,5 s, бяха извлечени и беше генерирана хистограмата на корелацията на събитието. Броят на контейнерите беше преобразуван в скоростта на събитието, z-трансформиран и осреднен за групата.

Оценяване на съня и ЕЕГ спектрален анализ на мощността. Оценяването на съня се основава на визуално-асистирана класификация за последователни 10- епохи на ЕЕГ и ЕМГ сигналите79. ЕЕГ без артефакти се класифицира като активно будно състояние (AW, бързо ЕЕГ с ниска амплитуда и високо ЕМГ), тихо будно състояние (QW, бързо ЕЕГ с ниска амплитуда и ниско ЕМГ) и NREM (бавно ЕЕГ с висока амплитуда и ниско ЕМГ ). Епохите на REM сън по време на 2-часов запис са редки и не са анализирани. Силовите спектри на ЕЕГ бяха изчислени за всяко поведенческо състояние с помощта на Matlab (Mathworks, САЩ) и кутията с инструменти FieldTrip 80. ЕЕГ сигналът беше сегментиран в {{10}}s епохи с 0.5-s припокриване. Бързата трансформация на Фурие беше приложена към заострени сегменти от данни на Ханинг за изчисляване на едностранния амплитуден спектър. За да разделим фракталните и осцилаторните компоненти в спектъра на мощността на ЕЕГ, използвахме процедурата за автоспектрален анализ с нередовно повторно вземане на проби. Графиките време-честота бяха генерирани с помощта на плъзгащ се заострен прозорец на Hanning и зависима от честотата дължина от 3 цикъла. Честотният диапазон от 0.05 до 20 Hz (стъпка от 0,1 Hz) се използва за SO, вретена на съня и HVS и 50 до 300 Hz (стъпка от 0,05 Hz и 9 цикъла) за вълните на хипокампа.

Експериментален дизайн и статистически анализ.

Тридесет и два плъха бяха обучени в лабиринта, от тези 19 плъха бяха имплантирани електроди и третирани с клонидин (n=16), пропранолол (n=11) или физиологичен разтвор (n{{4} }) след всяка учебна сесия. Допълнителни 9 плъха бяха имплантирани с електроди и използвани само за електрофизиология. Поведенческите променливи бяха осреднени за сесията и подложени на анализ на вариацията с повтарящи се измервания (ANOVA) с учебната сесия като повтарящ се фактор и лечението с лекарства като групов фактор. Корекцията на Парник-Гайсер беше приложена, когато предположението за сферичност беше нарушено. Клъстерният анализ на K-средствата беше използван за разкриване на променливостта между отделните субекти в скоростта на обучение. По-конкретно, ние изпратихме точността на избора (както е дефинирана в раздела Метод на задачата за пространствена памет) за всички учебни сесии и разделихме времевите серии на два клъстера, различаващи се по динамиката на обучение. След това изчислихме дела на плъховете във всеки клъстер за всяка експериментална група. Променливите, получени от електрофизиологични сигнали, като начало на сън, продължителност на епохата, честота на събитието и т.н., бяха подложени на еднопосочна ANOVA с лекарствено лечение като групов фактор, последвано, когато е подходящо, от posthoc тестовете на Bonferroni. Процентът на събитията след инжектиране се сравнява, като се използва ANOVA с повтарящи се измервания с 1 час времеви прозорец и при повтарящи се лекарствени лечения. Тестът за сдвоени извадки беше използван за разкриване на разликата между групите в хистограмите за пери-събития. Статистическата значимост (-стойност) беше зададена на p=0.05. IBM SPSS Statistics (v.22) беше използван за статистически анализ. За визуализация на резултатите са използвани софтуерните пакети Matlab (R2014a) и Adobe Illustrator®.

Наличност на данни

Наборите от данни, използвани и/или анализирани по време на настоящото проучване, са достъпни от съответния автор при разумна заявка.

Препратки

1. Giovannitti, JA, Toms, SM & Crawford, JJ Алфа-2 адренергични рецепторни агонисти: Преглед на настоящите клинични приложения. Anesth. Прог. 62, 31–39. https://doi.org/10.2344/0003-3006-62.1.31 (2015).

2. Chamberlain, SR & Robbins, TW Норадренергична модулация на познанието: Терапевтични последици. J. Psychopharmacol. 27,694-718. https://doi.org/10.1177/0269881113480988 (2013).

3. Newcorn, JH, Krone, B. & Dittmann, RW Нестимулиращи лечения за ADHD. Дете Юношество. Психиатр. Clin. N. Am. 31,417-435. https://doi.org/10.1016/j.chc.2022.03.005 (2022).

4. Criaud, M. et al. Норадреналин и нарушения на инициирането на движение при болестта на Паркинсон: Фармакологично функционално MRI изследване с клонидин. Клетки https://doi.org/10.3390/cells11172640 (2022).

5. Middlemiss, DN, Buxton, DA & Greenwood, DT Бета-адренорецепторни антагонисти в психиатрията и неврологията. Pharmacol.Ter. 12, 419–437. https://doi.org/10.1016/0163-7258(81)90089-9 (1981).

6. Berridge, CW & Waterhouse, BD Te locus coeruleus-noradrenergic system: модулиране на поведенческото състояние и когнитивните процеси, зависими от състоянието. Brain Res Brain Res Rev 42, 33–84 (2003).

7. Sara, SJ & Bouret, S. Ориентиране и преориентиране: Te locus coeruleus медиира познанието чрез възбуда. Neuron 76 (1), 130–141 (2012).

8. Сара, SJ Locus Coeruleus във времето със създаването на спомени. Curr. мнение Neurobiol. 35, 87–94. https://doi.org/10.1016/j.conb.2015.07.004 (2015).

9. Groch, S. et al. Принос на норепинефрин за консолидиране на емоционалната памет по време на сън. Психоневроендокринология 36,1342–1350. https://doi.org/10.1016/j.psyneuen.2011.03.006 (2011).

10. Gais, S., Rasch, B., Dahmen, JC, Sara, S. & Born, J. Функция на паметта на норадренергичната активност при не-REM сън. J. Cogn.Neurosci. 23, 2582–2592. https://doi.org/10.1162/jocn.2011.21622 (2011).

For more information:1950477648nn@gmail.com