Изследване на дневните вариации и половите разлики в неврофизиологията на хипокампа и пространствената памет, част 1

Резюме

Циркадните ритми са биологични процеси, които преминават през 24 часа и регулират много аспекти на неврофизиологията, включително учене и памет. Циркадните вариации в изпълнението на задачите за пространствена памет са добре документирани; въпреки това ефектът от секса през циркадното време (СТ) остава неясен.

Неврофизиологията е наука за структурата, функцията и патологията на нервната система. Паметта се отнася до способността на индивида да съхранява, възпроизвежда и използва информация от паметта. Съществува неразривна връзка между неврофизиологията и паметта.

В неврофизиологията има структура, наречена синапс, която е неразделна част от нервната система. Синапсите са мястото, където се предава информация между невроните, а паметта се основава на синапсите. Когато неврон получава информация, той комуникира с други неврони чрез синапси и предава информацията. Укрепването или отслабването на тези контакти формира основата за формиране и промяна на паметта.

Паметта е просто резултат от множество обмени и изчисления между различни неврони в човешкия мозък. Броят на невроните в тялото е фиксиран, тоест нашият резерв на памет е фиксиран. Следователно подобряването на паметта означава подобряване на силата на връзките между невроните, както и броя и качеството на връзките между синапсите, което изисква допълнителни познания по неврофизиология.

Следователно неврофизиологичните изследвания са много полезни за подобряване на индивидуалната памет. Изучаването на неврофизиологията може да ни помогне да разберем по-добре как работи човешкият мозък, което ни позволява да подобрим паметта чрез упражнения и тренировки. Някои методи включват укрепване на връзките между невроните чрез повече четене и повече мислене и подобряване на количеството и качеството на синапсите чрез извършване на различни умствени упражнения.

Накратко, неврофизиологичните изследвания могат не само да ни помогнат да разберем по-добре връзката между човешкия мозък и паметта, но и да предоставят различни методи и техники за подобряване на индивидуалната памет. Следователно трябва активно да усвояваме подходящи знания за неврофизиологията, за да създадем по-добра среда за нашата памет. Вижда се, че трябва да подобрим паметта си. Cistanche deserticola може значително да подобри паметта, тъй като Cistanche deserticola е традиционен китайски лекарствен материал с 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.

Щракнете върху познайте 10 начина за подобряване на паметта

Освен това, малко се знае по отношение на влиянието на времето от деня върху невронната физиология на хипокампа. Тук изследвахме влиянието както на пола, така и на времето от деня върху неврофизиологията на хипокампа и паметта при мишки. Изпълнението на задачата за памет за местоположение на обекта (OLM) зависи както от циркадното време, така и от пола, като паметта се подобрява през нощта при мъжете, но през деня при жените. Магнитудът на дългосрочното синаптично потенциране (LTP) при CA3-CA1 синапсите е по-голям през нощта в сравнение с деня и при двата пола.
След това измерихме спонтанно синаптично възбуждане и инхибиране върху CA1 пирамидални неврони. Честотата и амплитудата на инхибирането са по-големи през деня в сравнение с нощта, независимо от пола. Честотата и амплитудата на възбуждането са по-големи при жените, в сравнение с мъжете, независимо от времето на деня, въпреки че и времето на деня, и полът влияят върху вероятността за пресинаптично освобождаване.

През нощта CA1 пирамидалните неврони показват повишена възбудимост (задействане на потенциал за действие и/или потенциал на базовата линия), която зависи от синаптичното възбуждане и инхибиране, независимо от пола. Това проучване подчертава значението на пола и времето на деня във физиологията на хипокампуса, особено като се има предвид, че много неврологични разстройства, засягащи хипокампуса, са свързани с циркадни нарушения и се проявяват по различен начин при мъжете и жените. Знанията за това как сексът и циркадните ритми влияят върху физиологията на хипокампа могат да подобрят транслационната уместност на терапевтичните средства и да информират за подходящото време за съществуващите лечения.

Ключови думи:

денонощен; хипокампус; памет; пластичност; ритми; синаптичен.

Изявление за значимост

Циркадните ритми регулират много аспекти на неврофизиологията, включително познанието. Въпреки това, влиянието на времето от деня и пола върху неврофизиологията на хипокампуса и паметта, зависима от хипокампуса, остава до голяма степен неизследвана.

Тук съобщаваме, че циркадната регулация на паметта за местоположение на обект (OLM) зависи от пола. Освен това, изследването на физиологията на хипокампа през времето на деня и при двата пола разкри: засилено дългосрочно синаптично потенциране през нощта, по-голямо инхибиторно синаптично предаване през деня към CA1 пирамидални неврони, ефекти на двата пола и времето на деня върху възбуждащото синаптично предаване към CA1 пирамидални неврони и повишена нощна възбудимост на CA1 пирамидални неврони, която зависи както от синаптичния вход, така и от позицията по протежение на предно-задната хипокампална ос. Тези резултати подчертават важността на отчитането на пола, регионалното местоположение и времето на деня при изследването на физиологията на хипокампа.

Въведение

Хипокампусът е седалището на ученето и паметта в мозъка и неговата първична продукция се генерира от основните клетки (т.е. пирамидални неврони) в областта CA1. Задействането на потенциал за действие от CA1 пирамидален неврон, подобно на всеки друг неврон, е комбинирана функция на възбудително и инхибиторно синаптично задвижване, присъщи свойства на мембраната, регулиращи възбудимостта, и невромодулатори (Spruston, 2008).

Сравнително неизследван аспект в хипокампуса е как физиологията на CA1 пирамидалния неврон се модулира според времето на деня. На клетъчно ниво вариациите в биологичната функция на деня се генерират от транскрипционно-транслационна обратна връзка (Partch et al., 2014). Тъканните часовници в цялото тяло са йерархично организирани в система, която определя времето на 24-часовите ритми във физиологията и поведението, позволявайки на организмите да се адаптират към и да предвиждат редовно случващи се събития в тяхната среда (Pilorz et al., 2020; Buijs et др., 2021).

Циркадната регулация на физиологичните процеси е изгодна, а дисрегулацията на циркадните ритми може да насърчи и изостри появата и симптомите на заболяването (Logan and McClung, 2019; Colwell, 2021). Следователно, разбирането на циркадното влияние върху физиологията е от решаващо значение за проектирането на интервенции за заболявания с циркадна дисфункция, като например невродегенеративни заболявания (Lee et al., 2021).

Освен това, по-голямата част от основополагащите знания относно фундаменталните принципи на физиологията на хипокампа се основават на проучвания, проведени при нощни, предимно мъжки, гризачи по време на тяхната неактивна фаза (денем). Докато научната общност е започнала да обръща внимание на значението на пола като фактор в биомедицинските изследвания, значението на времето от денонощието все още е относително недостатъчно подчертано. Основната цел на това проучване беше да започне да разкрива как взаимодействат полът и времето от деня, за да повлияят на ежедневните вариации във физиологията и функцията на хипокампа.

Супрахиазматичното ядро ​​(SCN) на хипоталамуса е основният оркестратор на ендогенната циркадна мрежа и електрическите свойства на SCN невроните варират в зависимост от времето на деня.

Циркадната регулация на невронната възбудимост е широко разпространена в мозъка на бозайниците (Paul et al., 2020) и е наблюдавана при редица видове, включително гризачи (Snider et al., 2018), Drosophila (Cao and Nitabach, 2008; Sheeba, 2008), риба зебра (Elbaz et al., 2013). Въпреки че SCN е основният часовник, автономни циркадни часовници съществуват в други области на мозъка, включително хипокампуса (Paul et al., 2020; Hartsock and Spencer, 2020). На молекулярно ниво, субрегионите на хипокампуса ритмично експресират основни часовникови протеини, като слоят на клетъчното тяло на областта CA1 има най-силната експресия на PER2 (Jilg et al., 2010). Освен това, над 600 гена, включително тези, кодиращи йонни канали и синаптични протеини, показват циркадна експресия в хипокампуса (Zhang et al., 2014; Renaud et al., 2015).

На клетъчно ниво дългосрочното потенциране (LTP), форма на пластичност, при която специфични модели на синаптична стимулация водят до продължително увеличаване на силата на синаптичното предаване, се изразява в по-голяма степен през нощта в сравнение с деня при нощни мишки (Chaudhury et al., 2005; Besing et al., 2017; Davis et al., 2020). Когнитивната функция също се регулира от циркадната система (Wright et al., 2012) и циркадната регулация на ефективността при анализи на паметта, зависими от хипокампуса, е демонстрирана при няколко вида (Snider et al., 2018).

Въпреки това, разбирането ни за това как сексът влияе върху циркадната регулация на познанието е ограничено. Освен това липсват доказателства на клетъчно ниво, включително подробно разбиране за това как времето на деня и сексът регулират синаптичното задвижване и мембранните свойства на CA1 пирамидалните клетки. Тук се опитахме да определим как полът и времето на деня модулират веригата на хипокампа: от поведенческото ниво до индивидуалната невронна физиология.

Открихме, че циркадната регулация на паметта, зависима от хипокампуса, зависи от пола, докато разликите ден-нощ в LTP на хипокампуса не са. Открихме също, че синаптичната трансмисия и невронната възбудимост варират в зависимост от времето на деня и открихме, че някои от тези промени зависят от пола.

Материали и методи

Животни

Всички процедури с животни следваха Ръководството за грижа и използване на лабораторни животни, Служба за обществено здраве на Съединените щати и бяха одобрени от Комитета за институционална грижа и използване на животните на Университета на Алабама в Бирмингам. Всички експерименти използват 6- до 12-седмични C57BL/6J мишки от двата пола, получени от Jackson Laboratories (http://jaxmice.jax.org/strain/013636.html) или колонията C57BL/6J на университета на Алабама в Бирмингам.

Мишките се държат на 12/12 h цикъл светлина/тъмнина с ad libitum достъп до храна (LabDiet Rodent 5001 от Purina) и вода. Мишките бяха групирани в еднополови клетки от четири мишки за поведенчески експерименти. За всички останали експерименти мишките бяха групово настанени в еднополови клетки от две до седем мишки на клетка.

Памет за местоположение на обект (OLM)

Задачата за паметта за местоположението на обекта (OLM) (Snider et al., 2016) беше проведена при слаба червена светлина от 10 лукса. Използвани са четири кохорти мишки, като всяка група се състои от осем мъжки и осем женски. Във всяка кохорта мишките бяха назначени да преминат през привикване, обучение и тестване през деня или през нощта. В кохорти 1 и 3 мъжките бяха тествани през деня, а женските бяха тествани през нощта. В кохорти 2 и 4 женските бяха тествани през деня, а мъжките бяха тествани през нощта.

Мишките бяха въведени в цикъл от 12/12 часа светлина/тъмнина (LD) и след това привикнаха към арената за 2 дни или по време на Zeitgeber (ZT) четири, или по ZT 16 (където ZT 12 се отнася за изключени светлини), за ден и нощ, съответно (дни 1–2; фиг.1A, B). След ден 2, мишките бяха освободени в постоянна тъмнина (DD) и отново привикнали към арената в прогнозираното циркадно време (CT) 4 или 16 (дни 3-4, където CT 12 се отнася до прогнозираното време на изгасване на светлините от предишния LD цикъл; Фиг. 1A, B). Мишките бяха оставени да се аклиматизират към поведенческата стая за 20 минути всеки ден непосредствено преди привикване или обучение/тест.

Привикването се състоеше от 5 минути боравене, последвано от 5 минути изследване на арената с визуални сигнали. Визуалните знаци се състоеха от вертикални ивици на една стена и голямо червено X на друга стена. Арените бяха 35,5 25,4 см със стени с височина 20,3 см. Обучението и тестването на OLM се проведе в DD, 24 часа след последния ден на привикване при прогнозирания CT четири или CT 16. Обектите бяха направени с градивни блокове PRETEX (артикул № 8030-100) и имаха три възможни позиции в рамките на арената, всички най-малко 8,9 см от стените.

По време на обучението на всяка мишка беше позволено да изследва анарена с два обекта за 5 минути. След това мишката беше върната в домашната си клетка за 30 минути, по време на които един от обектите от първоначалното изследване беше преместен на нова позиция (новото местоположение), докато единият остана в първоначалната си позиция (познатото местоположение; Фиг. 1C). Избран е 30-минутен период на припомняне въз основа на публикувани по-рано методи (Snider et al., 2016) и за избягване на смущения в паметта поради лишаване от сън или подобряване на паметта от период на сън през нощта.

В тестовата фаза всяка мишка беше поставена обратно на арената с новите и познати обекти на местоположението и оставена да изследва за 5 минути. Цялото привикване, обучение и тестване бяха записани при 30 FPS (модел на ELP камера: ELP-USBFHD05MT-KL36IR). Изследването беше проследено с помощта на компютърен модел, направен чрез DeepLabCut. След това взаимодействието на обекта беше анализирано с помощта на персонализирани скриптове MATLAB (MathWorks), разработени от Мери Филипс (https://github.com/PhillipsML/DLC-NovelObject#dlc-novel object). За анализ на данни бяха приложени няколко критерия за изключване: мишки, които показаха ясно странично предпочитание, мишки, които прекарват по-голямата част от времето си в изследване на обекти, за да се опитат да избягат от арената, и мишки с голямо предпочитание към един обект пред друг по време на обучението бяха изключени. Индексът на дискриминация се изчислява като: (времето, прекарано в изследване на местоположението на нов обект, времето, прекарано в изследване на местоположението на познат обект)/(времето, прекарано в изследване на местоположението на нов обект 1 време, прекарано в изследване на местоположението на познат обект).

Електрофизиология

Подготовка на резена

Мишките бяха убити с цервикална дислокация и бързо обезглавяване при ZT {{0}}–1 или ZT 11–12 съответно за дневни и нощни експерименти. И полът, и времето от деня бяха преплетени. За извънклетъчни теренни експерименти мозъците бяха отстранени и 350- mm коронални срезове бяха приготвени с помощта на VT1200 S вибратом (Leica Biosystems) в ледено студен разтвор, съдържащ следното (в mM): 85 NaCl, 2,5 KCl, 4 MgSO4 *7H2O , 0,5 CaCl2 * 2H2O, 1,25 NaH2PO4, 75 Захароза, 25 NaHCO3, 25 Глюкоза, наситена в 95% O2 и 5% CO2. Срезовете се оставят да престоят най-малко 1 час в разтвор за възстановяване на стандартен изкуствен CSF (ACSF), съдържащ следното (в mM): 119 NaCl, 2,5 KCl, 1,3 MgSO4 * 7H2O, 2,5 CaCl2 * 2H2O, 1 NaH2PO4, 26 NaHCO3, и 11 глюкоза, барботирана с 95% O2/5% CO2.

За експерименти с пач-кламп с цели клетки, мозъците бяха отстранени и бяха приготвени коронални срезове с дебелина 300- mm с помощта на VT1200 S вибратом (LeicaBiosystems) в леденостуден разтвор, съдържащ следното (в mM) : 110 холин хлорид, 25 глюкоза, 7 MgCl2, 2,5 KCl, 1,25 Na2PO4, 0,5 CaCl2, 1,3 Na-аскорбат, 3 Na-пируват и 25 NaHCO3, барботирани с 95% O2/5% CO2.
Срезовете се оставят да престоят поне 1 час при стайна температура в разтвор за възстановяване, съдържащ следното (в mM): 125 NaCl, 2,5 KCl, 1,25 Na2PO4, 2 CaCl2, 1 MgCl2, 25 NaHCO3 и 25 глюкоза, барботирана с 95% O2/ 5% CO2. За експерименти, измерващи инхибиторни синаптични събития, 2 тМ кинуреникова киселина се добавя към разтвора за възстановяване.

Теренни записи

Данните са получени от ZT 1–6 или ZT 12–18 съответно за дневни и нощни записи. Короналните хипокампални срезове се поставят в камера за потапяне и се перфузират непрекъснато със стандартен ACSF при 3–5 ml/min и 26–28 градуса. Колатералните аксони на Schaffer се стимулират с помощта на биполярен стимулиращ електрод, поставен в стратума радиат на зона CA3. Полеви EPSP (fEPSP) бяха получени със записващ електрод, поставен в стратума радиат на зона CA1, в рамките на 200–300 mm от стимулиращия електрод.

Първоначалният наклон на fEPSP (наклон на fEPSP) беше измерен в линейната област, непосредствено след залпа на влакното и преди пика на fEPSP. Данните бяха получени и анализирани с помощта на pCLAMP10/11 (Molecular Devices). Данните бяха записани с помощта на Kerr Scientific S2 усилвател (Kerr Tissue RecordingSystem, Kerr Scientific Instruments). Сигналите бяха дигитализирани при 10 kHz (Digidata 1550B).

Входно-изходните (I/O) криви бяха генерирани чрез измерване на наклона на fEPSPs от CA1 stratum radiatum в отговор на серия от нарастващи интензитети на стимулация (0.2–200 mA , D 10 mA) при Schaffer Collaterals. Изходните fEPSP бяха получени чрез доставяне на 0.1-Hz стимулация за предизвикване на fEPSP от приблизително 0,20 mV/ms за 20 минути.

Бяха проведени експерименти с дългосрочно потенциране (LTP) чрез получаване и поддържане на стабилен изходен fEPSP отговор за 20 минути, след което LTP беше индуциран чрез доставяне на високочестотна стимулация (HFS; 100 Hz; 0,5 s продължителност; доставено 2 с 15-s интервал). Този по-слаб протокол за стимулация беше избран, за да се избегне маскирането на разликата ден/нощ в величината на LTP (Besing et al., 2017; Davis et al., 2020). След HFS, наклоните на fEPSP бяха записани за 40 минути.

For more information:1950477648nn@gmail.com