Изследване на дневните вариации и половите разлики в неврофизиологията на хипокампа и пространствената памет, част 3

За да изследваме разликите в пола и времето на деня, ние стратифицирахме нашия набор от данни въз основа на областта на предно-задната ос, последвана от тристранна факторна ANOVA. Ние открихме, че сексът няма значителен ефект върху няколко потенциала за действие, генерирани в отговор на инжектиране на деполяризиращ ток в клетки, записани или от преден (p=0.321, основен ефект на секса, трипосочна RM-ANOVA), или от заден срез (p=0.568, основен ефект на секса, трипосочен RM-ANOVA); по този начин данните от двата пола бяха събрани за окончателен анализ.

Паметта е много важна част от нашето житейско пътуване. Не само разчитаме на паметта, за да научим нови знания, но също така се нуждаем от нея, за да ни помогне да решаваме проблеми и да вземаме решения.

Нашето разбиране за механизмите обаче е недостатъчно. Клетките са основните градивни елементи на телата ни, така че как са свързани с паметта? Клетките играят важна роля в паметта.

Първо, вътреклетъчното сигнализиране е основата на нашата памет. По време на паметта и ученето нервните клетки променят връзката между невроните, за да образуват нови невронни мрежи. Тази промяна се осъществява чрез невротрансмитери, включително невротрансмитери и невропептиди. Невротрансмитерите и невропептидите пренасят тази информация през синапсите до целевите клетки. Следователно предаването на вътреклетъчния сигнал е важна част от нашия процес на учене и памет.

Второ, качеството и количеството на клетките също може да повлияе на нашата памет. Ако нямаме достатъчно клетки в тялото си, се чувстваме уморени и имаме слаба памет. В допълнение, изследванията показват, че хранителният статус на клетките също може да повлияе на ученето и паметта. Нови резултати от изследвания показват, че храни, съдържащи омега-3 мастни киселини, могат да подобрят качеството и количеството на нервните клетки.

Освен това нашите клетки могат също да повлияят на паметта чрез физическо движение. Упражнението може да насърчи новото поколение нервни клетки, като по този начин подобри нашата памет. Упражнението освобождава невротрофични фактори, вещества, които стимулират регенерацията на нервните клетки и образуването на синаптични връзки.

За да обобщим, клетките са в основата на нашата памет и се влияят от ежедневието ни. В ежедневието си можем да насърчим подобряването на паметта, като избягваме пушенето и злоупотребата с алкохол, поддържаме здравословен начин на живот, консумираме храни, съдържащи омега-3 мастни киселини, и се занимаваме с подходящи упражнения, което прави спомените ни по-ясни и по-щастливи. 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 добавките за подобряване на паметта

Предните клетки, записани през нощта, изстрелват повече потенциали за действие от тези, записани през деня (p=0.046, основният ефект на времето от деня, двупосочен RMANOVA; Фиг. 7B). Въпреки това, задните клетки не показват статистическа разлика ден-нощ в броя на задействаните потенциали за действие (p=0.484, основният ефект от времето на деня, двупосочна RM-ANOVA; Фиг. 7E).

Изследването на базовия мембранен потенциал не разкрива разлики в пола или времето на деня в клетките, записани от предни срезове (p=0.572 и 0.535, основни ефекти на пола и времето на деня , съответно, двупосочна ANOVA; Фиг. 7C). Въпреки това, мембранните потенциали на клетките, записани от задните срезове през нощта, са по-деполяризирани от тези, записани през деня, независимо от пола (p= 0.044, основният ефект от времето на деня, двупосочна ANOVA; Фиг. .7F).

Изследвахме 15 допълнителни свойства на мембраната, включително свойствата на потенциала на действие на единичен потенциал на действие, предизвикан от инжектиране на реобазен ток, провисване и входно съпротивление (Таблица 1). Имаше значителен ефект от времето на нарастване на потенциала за сексуално действие в предните неврони (мъжки: 0.295 6 0.01 ms, женски: 0.275 6 0.01 ms; p=0.047, двупосочна ANOVA). Няма други параметри, достигнали статистическа значимост (разширена таблица с данни 1-1).

Като се има предвид, че активирането на потенциала на действие и мембранния потенциал са и двете мерки за невронна възбудимост, можем да заключим, че CA1 пирамидалните неврони в веригата на хипокампа са по-възбудими през нощта като цяло, но механизмът, лежащ в основата на това нощно повишаване на възбудимостта, може да варира в зависимост от предно-задната ос на хипокампа.

Разликите ден-нощ в CA1 пирамидната невровъзбудимост не са присъщи

Тъй като наблюдаваната дневна-нощна вариация на възбудимостта може да бъде предизвикана от синаптични и/или вътрешни фактори, ние отново оценихме възбудимостта в отделна кохорта от животни в присъствието на синаптични антагонисти (CPP, NBQX, GBZ), за да изолираме CA1 пирамидалния неврон от веригата При тези условия не открихме значителен ефект от времето на деня в броя на потенциалите за действие, генерирани в отговор на деполяризиращи токови инжекции в клетки, записани както от предни, така и от задни срезове (p=0.933 за предни и p { {6}}.569 за заден, основен ефект на времето от деня, двупосочен RM-ANOVA; Фиг. 8A, D).

Освен това изходните потенциали при тези условия не се повлияват от времето на деня или пола в клетките, записани от двете предни клетки (p=0.896 и 0.888, основен ефект от пола и времето на ден, съответно, двупосочен ANOVA; Фиг. 8B) или задни срезове (p {{10}}.999 и 0,702, основен ефект съответно на пола и часа на деня, двупосочен ANOVA; Фиг. 8E). Бяха изследвани допълнителни свойства на мембраната в присъствието на синаптични антагонисти, включително свойствата на потенциала за действие на единични потенциали на действие, предизвикани от инжектиране на реобазен ток, провисване и входно съпротивление (Таблица 2).

Хиперполяризацията както с потенциал на бързо действие, така и със среден потенциал на действие (fAHP и mAHP) са по-високи през деня (fAHP: 5.776 0.74mV, mAHP: 9.296 0.65mV), в сравнение с нощта в предната част неврони (fAHP: 4.08 6 0.51 mV, mAHP: 7.06 6 0.59 mV; p=0.044 и 0.024 за fAHP и mAHP, двупосочно ANOVA; Таблица 2). В предните неврони fAHP е по-висок при мъже (5.827 6 0.56 mV) в сравнение с жени (3.98 6 0.58 mV; p=0.034, двупосочна ANOVA; Таблица 2). Никакви други параметри нито в предните, нито в задните неврони не са достигнали статистическа значимост (ExtendedData Table 1-1).

Като цяло, отсъствието на повишена нощна невронална възбудимост (мембранен потенциал и скорост на запалване на потенциала на действие) в присъствието на синаптични антагонисти предполага, че дневните разлики в бързия възбудителен и/или инхибиторен синаптичен вход поне частично допринасят за нощното повишаване на възбудимостта.

Дискусия

Тук изследвахме ефектите от пола и времето на деня върху множество аспекти на физиологията на хипокампа, от поведението до физиологията на отделните неврони. Ние демонстрираме, че времето на деня влияе върху пространственото учене и паметта, величината на LTP, синаптичното инхибиране върху CA1 пирамидални неврони и CA1 пирамидална невронна възбудимост. Открихме, че сексът е най-влиятелен върху разликите ден-нощ в производителността на OLM, докато ефектът му върху синаптичното предаване, величината на LTP и невронната възбудимост е едва доловим или липсва напълно. Освен това открихме, че позицията по предно-задната ос въздейства значително възбудимо на CA1 пирамидалните неврони. Тези открития илюстрират сложността на хипокампалната мрежа и значението на отчитането на фактори като пол и време на деня в бъдещи проучвания.

Докато циркадните ритми регулират LTP и зависещото от хипокампа учене и памет, ролята на разликите между пола и деня в тези процеси не беше известна досега. Изненадващо открихме, че циркадните ритми регулират зависимото от хипокампа представяне на паметта по зависим от пола начин. Мъжките мишки се представиха по-добре при задачата OLM през нощта, както беше съобщено по-рано (Takahashi et al., 2013; Snider et al., 2016). Femalemice обаче се представи по-добре през деня. Не е ясно защо женските мишки биха се представили по-добре по време на неактивния си период, но възможно обяснение може да бъде цикълът на еструса, който не е контролиран в настоящото изследване.

Въпреки че са необходими повече изследвания при естествено циклични женски, за да се направят окончателни заключения относно специфичното въздействие на цикъла на еструса върху зависимата от хипокампуса пространствена памет, проучвания при плъхове установяват, че женските в проеструс и еструс превъзхождат тези в диеструс по отношение на задачите за разпознаване на обекти и поставяне на обекти (Frye et al ., 2007; Парис и Фрай, 2008). Наистина, нивата на естроген оказват влияние върху производителността на зависимите от хипокампуса задачи на паметта и прилагането на екзогенен естрадиол подобрява производителността на зависимите от хипокампуса задачи на паметта (Luine et al., 2003; Li et al., 2004; Phan et al., 2012; Vedder et al., 2013, 2014; Tuscher и др., 2015). Разбирането как цикълът на еструса и циркадният цикъл се сближават за модулиране на познанието при жените ще бъде интересна и важна тема за бъдещи изследвания.

Интересно е, че ние открихме, че тези сексуални ефекти върху дневните разлики в производителността на OLM не се простират до дневната регулация на LTP, която се счита за клетъчен корелат на ученето и паметта. Важно е да се отбележи, че времената CT и ZT, използвани в двата експеримента, не отразяват перфектно едно друго. OLM анализите са проведени в средата на субективните дневни и нощни периоди в постоянна тъмнина (CT четири и CT 16), както е адаптирано от (Snider et al., 2016), докато електрофизиологичните експерименти са изследвани рано през деня и рано през нощта в LD цикъл (ZT 1–6 и ZT 12–18).

Независимо от това, това донякъде неочаквано откритие може да бъде пример за това как един и същ физиологичен процес (LTP) може да се използва за постигане на различни резултати в зависимост от контекста (мъже срещу жени). Освен това, докато задачата на OLM, която избрахме, зависи от хипокампуса (Barker and Warburton, 2011); ученето и паметта са сложни процеси, които могат да разчитат на множество системи за памет и може би жените разчитат повече на други схеми в сравнение с мъжете. Освен това цикълът на еструса може да повлияе на стратегиите за учене и относителния принос на различни вериги на женската памет (Korol et al., 2004).

Следователно зависимите от пола ефекти, наблюдавани в задачата OLM, могат да бъдат медиирани от механизъм, различен от LTP в CA3-CA1 синапса. Възможно е също така използваната високочестотна стимулация, за разлика от по-физиологична стимулация (т.е. тета изблик), да е попречила на откриването на зависима от пола регулация на LTP. Допълнително ограничение на OLMassay, което си струва да се отбележи, е възможно нарушаване на поведенческите ритми в резултат на многократно боравене (5 минути/ден) 4 преди обучение и тестване. Независимо от това, тези резултати илюстрират значението на отчитането както на пола, така и на времето от деня при проектирането на изследователски проучвания и тълкуването на резултатите.

Предишна работа от нашата лаборатория разкри, че sIPSCsonto CA1 пирамидални неврони показват дневни разлики, които се губят в миши модел на болестта на Алцхаймер (Fusilier et al., 2021). Тук повторихме и разширихме предишни открития, като изследвахме sIPSCs и при двата пола и проведохме допълнителни експерименти в присъствието на TTX (mIPSCs), за да започнем да идентифицираме пресинаптичните и постсинаптичните механизми, допринасящи за дневните разлики. Липсата на дневни разлики в mIPSCs IEI предполага, че зависимото от потенциала на действие инхибиране върху CA1 пирамидални клетки е по-голямо през деня, отколкото през нощта както при мъжки, така и при женски мишки. Като се има предвид, че тези инхибиторни токове са фармакологично изолирани с антагонисти на глутаматния рецептор, вероятно спонтанно се генерира повишена дневна интерневронактивност. Наистина, предишни доклади предполагат, че някои интерневрони в областта CA1 са спонтанно активни (Sik et al., 1995; Maccaferri and McBain, 1996; Oliva et al., 2000; Amilhon et al., 2015; Huh et al., 2016; Miri et al. ., 2018); липсват обаче окончателни доказателства за дневни вариации в спонтанното задействане на интерневрони в хипокампуса и това ще бъде важна област на бъдещо проучване, което би могло да даде представа за циркадната дисфункция, свързана със заболявания, включващи свръхвъзбудимост на хипокампалната мрежа, включително болестта на Алцхаймер и епилепсията.

В допълнение към получаването на инхибиторен вход от местни интерневронни популации, основният възбуждащ вход към CA1 пирамидалните клетки пристига от аксоните на главните неврони на низходящата област CA3 (колатерали на Шафер; CA3 пирамидални клетки) или енториналния кортекс (темпероамоничен път). Изследването на sEPSCs показа, че тенденцията за възбуждащо въвеждане в CA1 пирамидалните клетки е по-голяма през нощта, отколкото през деня. При липса на освобождаване на невротрансмитер, зависимо от потенциала на действие, това явление продължава при мъжете, но не и при жените, което предполага, че повишената възбуда през нощта при жените вероятно се дължи на потенциала за действие. CA3 пирамидалните клетки също показват дневни разлики във възбудимостта, така че нощните клетки показват по-голям калциев ток, намалена следхиперполяризация и намалена адаптация на пиковата честота в сравнение с дневните клетки (Kole et al., 2001). Тази повишена нощна възбудимост на CA3 пирамидални клетки може да се превърне в повишен sEPSC върху CA1 пирамидални клетки през нощта в сравнение с деня.

След това искахме да проучим как дневните вариации във възбудителното и инхибиторното синаптично предаване могат да повлияят на възбудимостта на CA1 пирамидалния неврон. Предишно проучване при плъхове установи, че възбудимостта на мембраната осцилира през циркадното време и невроните са по-деполяризирани по време на субективната нощ/субективния ранен ден (Naseri Kouzehgarani et al., 2020). Скорошно проучване установи повишена нощна възбудимост в пирамидални неврони CA1 на мишка (Fusilier et al., 2021). Тук повторихме предишни констатации и разширихме нашето проучване, за да отчетем потенциалните разлики в пола и влиянието на предно-задната хипокампална ос. Като цяло открихме, че в непокътната синаптична верига (т.е. без синаптични антагонисти), CA1 пирамидалните неврони са по-възбудими през нощта в сравнение с деня, независимо от пола. Интересното е, че повишаването на възбудимостта през нощта не е равномерно по предно-задната ос на хипокампа. Докато невроните, записани от предни срезове, задействаха повече потенциали за действие в отговор на инжектиране на деполяризиращ ток и не показаха дневна разлика в базовия мембранен потенциал, задните неврони бяха по-деполяризирани през нощта, но не показаха статистически значимо нощно увеличение при няколко задействани потенциала за действие.

Тези констатации предполагат, че основните механизми за нощно усилване на невронната възбудимост могат да бъдат различни в зависимост от местоположението в предно-задната аксиална част. Докато нашият препарат за коронален срез означаваше, че не успяхме наистина да изолираме вентралния хипокампус от дорзалния хипокампус, ние наблюдавахме, че невроните от задните срезове показват характеристики, съответстващи на публикуваните по-рано данни, събрани от вентрални CA1 пирамидални неврони, докато невроните от предните срезове са в съответствие с данните, изследващи дорзалните CA1 пирамидални неврони ( Malik et al., 2016; Milior et al., 2016). По-конкретно, задните (вентрално подобни) неврони са по-възбудими в сравнение с предните неврони, достигайки максимална скорост на запалване по-рано от предните неврони, имат по-високо входно съпротивление и по-ниски стойности на реобазата в сравнение с предните ( дорзални) неврони. Като се имат предвид известните разлики в дендритната морфология и експресията на йонни канали индорзални спрямо вентрални хипокампални неврони (Bannermanet al., 2004; Fanselow and Dong, 2010; Marcelin et al., 2012; Dougherty et al., 2012, 2013; Hönigsperger et al., 2015; Kim и Johnston, 2015; Malik et al., 2016; Milioret al., 2016; Soltesz и Losonczy, 2018), не е изненадващо, че механизмите, лежащи в основата на невъзбудимостта на дневните разлики, може да са различни в тези популации. Липсата на разлики ден-нощ в невронната възбудимост в присъствието на синаптични антагонисти предполага, че синаптичните входове поне частично допринасят за нощното повишаване на възбудимостта. Необходими са обаче бъдещи експерименти, за да се определи специфичната роля както на синаптичните, така и на вътрешните фактори в регулирането на дневните разлики във физиологията в CA1 пирамидалните неврони.

Освен това разликата между предните и задните клетки беше намалена в присъствието на синаптични антагонисти, което предполага, че синаптичните фактори могат да бъдат поне частично отговорни за някои от регионалните различия, които наблюдавахме. Ще бъде интересно да се стесни как експресията и функцията на различни невротрансмитерни рецептори и йонни канали се модулират през времето на деня и местоположението по надлъжната ос. Предимство на техниката на слепи пластири, използвана в настоящото изследване, е способността да се събират данни от неврони, разположени дълбоко под повърхността на тъканта, където здравето и жизнеспособността на клетките са най-добри, но визуализираното насочване на неврони би било трудно. Този подход обаче забранява насочването към специфични невронни субпопулации ; по този начин, пирамидални неврони във всички области на CA1 пирамидалния клетъчен слой бяха включени в изследването. Бъдещи проучвания, изследващи ефектите от времето на деня и пола в различни субпопулации на CA1 пирамидални клетки (напр. дълбоки срещу повърхностни неврони), ще бъдат информативни за разбирането на специфичната за клетъчния тип физиология.

Хипокампусът е една от най-изследваните и добре характеризирани вериги в мозъка на бозайниците. Въпреки това, по-голямата част от знанието за това как функционира тази верига се основава на проучвания, проведени през деня при, предимно мъжки, нощни гризачи. Липсата на отчитане на фактори като време на деня и пол води до непълна картина на физиологията на хипокампа и как тя динамично функционира в множество контексти. Полът и времето на деня са особено важни съображения за транслационната релевантност на изучаването на хипокампуса в модели на заболявания като Алцхаймер или епилепсия, които се влияят от циркадните ритми и могат да засегнат мъжете и жените по различен начин.

Важно е да се отбележи, че с изключение на експериментите, тестващи OLM, всички експерименти в това изследване са проведени в цикъл светло-тъмно. Следователно са необходими бъдещи проучвания при постоянни условия, за да се определи ролята на циркадната система върху наблюдаваните дневни разлики. Докато тук бяха изследвани само две времеви точки, ще бъде интересно и полезно да се определи как физиологията на хипокампа е динамична в множество времеви точки в циркадния цикъл в бъдещи проучвания. В заключение, това проучване разкрива дневни вариации в хипокампалните синаптични и невронни функции и подчертава значението на разглеждането на пола, циркадните ритми и невронната хетерогенност в мозъчната област при изследването на невронните вериги.

Препратки

Amilhon B, Huh CYL, Manseau F, Ducharme G, Nichol H, Adamantidis A, Williams S (2015) Парвалбуминовите интерневрони на хипокампуса настройват популационната активност на тета честота. Неврон86:1277–1289.

Bannerman DM, Rawlins JNP, McHugh SB, Deacon RMJ, Yee BK, Bast T, Zhang WN, Pothuizen HHJ, Feldon J (2004) Регионални дисоциации в рамките на хипокампуса – памет и тревожност. NeurosciBiobehav Rev 28:273–283.

Barker GRI, Warburton EC (2011) Кога хипокампусът участва в паметта за разпознаване? J Neurosci 31: 10721–10731.

Освен RC, Rogers CO, Paul JR, Hablitz LM, Johnson RL, McMahonLL, Gamble KL (2017) активността на GSK3 регулира ритмите в експресията на ген на хипокампалния часовник и синаптичната пластичност. Хипокампус 27: 890–898.

Buijs RM, Soto Tinoco EC, Hurtado Alvarado G, Escobar C (2021) Циркадната система: от часовници до физиология. Handb ClinNeurol 179: 233–247.

Cao G, Nitabach MN (2008) Циркаден контрол на възбудимостта на мембраната в латералните вентрални часовникови неврони на Drosophila melanogaster. JNeurosci 28: 6493–6501.

Chao OY, Huston JP, Nikolaus S, de Souza Silva MA (2016) Паралелна оценка на паметта за обект и място: доказателства за различно преференциално значение на перириналната кора и хипокампуса и прогностичен ефект на неврокинин-3 R агонист. Neurobiol Learn Mem 130:149–158.

Chaudhury D, Wang LM, Colwell CS (2005) Циркадна регулация на дългосрочно потенциране на хипокампа. J Biol Rhythms 20: 225–236.

Colwell CS (2021) Дефиниране на циркадни нарушения при невродегенеративни разстройства. J Clin Invest 131: e148288.

Cook RL, Kelso NE, Brumback BA, Chen X (2016) Аналитични стратегии за оценка на асоциацията на променящите се във времето експозиции към резултатите, свързани с ХИВ: консумация на алкохол като пример. Curr HIVRes 14:85–92.

Davis JA, Paul JR, McMeekin LJ, Nason SR, Antipenko JP, YatesSD, Cowell RM, Habegger KM, Gamble KL (2020) Диетите с високо съдържание на мазнини и високо съдържание на захароза влошават разликите във времето на деня в пространствената работна памет на мъжки мишки. Затлъстяване (Silver Spring) 28: 2347–2356.

For more information:1950477648nn@gmail.com