Времева издръжливост на предизвиканите от упражнения ползи върху зависимата от хипокампуса памет и синаптичната пластичност при женски мишки Част 1

Резюме

Упражнението улеснява хипокампалната неврогенеза и невропластичността, което от своя страна насърчава когнитивната функция. Нашите предишни проучвания показаха, че при мъжки мишки, доброволните упражнения позволяват обучение, зависимо от покампуса, в условия, които обикновено са подпрагови за формиране на дългосрочна памет при заседнали животни. Такова когнитивно подобрение може да се поддържа дълго след прекратяване на упражненията и може да бъде повторно ангажирано чрез следваща подпрагова сесия с упражнения, което предполага, че ползите, предизвикани от упражненията, са динамични във времето.

Невропластичността се отнася до способността на невроните непрекъснато да се адаптират към външни стимули и вътрешни дейности. Тази способност играе решаваща роля при формирането и съхранението на паметта. Въпреки това невропластичността е тясно свързана с паметта.

Невропластичността се осъществява чрез синаптичните връзки между невроните. Когато получим нещо ново, връзките между невроните в мозъка ще се променят, образувайки нови синаптични връзки. Този процес изисква многократна практика и повторение, за да се създадат дългосрочни и стабилни синаптични връзки. Само тази дългосрочна синаптична връзка може да повлияе на паметта и да я съхрани.

Невропластичността също се променя с възрастта и опита. Невропластичността е много мощна, когато сме млади и мозъкът може да формира нови синаптични връзки много бързо, когато научаваме нови неща. Но с напредването на възрастта невропластичността намалява, което означава, че става по-трудно да научим нова информация. Въпреки това, ако поддържаме положително отношение и желание и навик проактивно да учим нови неща, все още можем да поддържаме определено ниво на невропластичност. Това означава, че можем да продължим да учим и да растем, подобрявайки паметта и интелигентността си.

За да обобщим, невропластичността и паметта са тясно свързани. Поддържането на положително отношение и навика за активно усвояване на нови знания може да ни помогне да поддържаме добра невропластичност, като по този начин постигаме по-добра памет и интелигентност. Нека учим непрестанно, поддържаме положително отношение и постоянно подобряваме способностите и качествата си. 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

При жените степента, до която ползите от упражненията могат да бъдат запазени, и механизмите, лежащи в основата на тази поддръжка, все още не са определени. Тук изследвахме параметрите на упражненията, необходими за започване и поддържане на ползите от упражненията при женски C57BL/6J мишки. Използвайки подпрагова версия на задачата, зависима от хипокампуса, наречена задача за памет за местоположение на обект (OLM), ние показваме, че 14d от доброволните упражнения позволяват учене при условия на подпрагово придобиване при женски мишки. След първоначалното упражнение забавянето на заседналото 7d води до намалена производителност, което може да бъде улеснено отново, когато животните получат 2d реактивиращо упражнение след забавянето на заседналото.

Оценката на цикъла на еструса разкрива повишена активност на движението на колелата по време на фазата на еструса спрямо фазата на диеструс, докато фазата на еструса при тренировка или тест не е повлияла на производителността на OLM. Използвайки същите параметри на упражнение, ние демонстрираме, че 14d упражнения подобряват дългосрочното потенциране ( LTP) в областта CA1 на хипокампуса, ефект, който продължава през цялото време на забавяне на зъбния ход и след реактивиращата сесия с упражнения. Предишни проучвания предложиха индуцирана от упражнения регулация на BDNF като механизъм, лежащ в основата на медиираните от упражнения ползи за синаптичната пластичност и когнитивност.

Въпреки това, нашата оценка на хипокампалната експресия на Bdnf mRNA след извличане на паметта не разкрива разлика между условията на упражнения и контрола, което предполага, че постоянната регулация на Bdnf може да не е необходима за поддържане на ползите, предизвикани от упражнения. Заедно нашите данни показват, че 14d доброволни упражнения могат да инициират дълготрайни ползи върху невропластичността и когнитивната функция при женски мишки, установявайки първото доказателство за времевата издръжливост на ползите, предизвикани от упражненията при женските.

Ключови думи

Упражнение; Изучаване на; здрастиppocampus; Синаптична пластичност; BDNF; Естрален цикъл.

1. Въведение

Ефектите от физическите упражнения върху поддържането и поддържането на здравето на мозъка са добре документирани. В мозъка хипокампусът е критичен за ученето и формирането на паметта, тъй като нарушаването на тази мозъчна структура води до нарушения на паметта (Packard & McGaugh, 1996; Riedel et al., 1999; Scoville & Milner, 1957). Следователно анормалните морфологични и функционални промени в хипокампуса се приписват на когнитивни увреждания, свързани със стареенето и болестни състояния (Bettio et al., 2017).

Проучвания при хора (ten Brinkeet al., 2015; Erickson et al., 2011; Pajonk et al., 2010; Teixeira et al., 2018) и животински модели (Cooper et al., 2018; Neeper et al., 1996; O'Callaghan et al., 2007; Van Praag, 2008) са демонстрирали ефектите от упражненията върху поддържането на структурната и функционална цялост на хипокампуса, което предполага, че физическите упражнения са ефективна нефармакологична интервенция за когнитивно увреждане както при физиологични, така и при патологични състояния (Intlekofer & Cotman, 2013; Lauretta и др., 2021; Liu и др., 2011; Muscari и др., 2010).

Въпреки обширните изследвания за благоприятните ефекти от упражненията и връзката между хипокампуса и когнитивната функция, малко се знае за времевата динамика на ползите, предизвикани от упражненията. Тоест, каква е продължителността на упражненията, необходима за увеличаване на функцията на хипокампа, и колко дълго продължават тези ползи след прекратяване на упражненията?

Дори по-малко проучвания са се опитвали да изследват молекулярните механизми, които са в основата на поддържането на ползите, предизвикани от упражненията. Като се има предвид, че режимите на упражнения при хора са по-малко строги и последователни от тези, използвани при проучвания върху животни (Lee & Skerrett, 2001), важно е да се разработят протоколи за упражнения, които са гъвкави и не изискват ежедневна рутинна тренировка, но все пак могат да ангажират и поддържат индуцирана от упражнения когнитивна функция Ползи. При проучвания върху животни е трудно да се определи минималната продължителност на упражненията, необходима за започване и поддържане на ползите от упражненията поради значителна вариабилност в протоколите за упражнения, използвани в проучванията (Loprinzi et al., 2019). Следователно остава важно да се изследва прагът на упражненията, който предизвиква и поддържа когнитивните ползи и основните механизми.

Упражненията улесняват невропластичността, неврогенезата и впоследствие ученето и паметта чрез механизми, които индуцират невротрофичното действие на мозъчния невротрофичен фактор (BDNF) в хипокампуса (Alomari et al., 2013; Cotman et al., 2007; Cotman & Berchtold, 2002; Ding et al., 2011; Triviño-Paredes et al., 2016; Van Praag, Christie, et al., 1999; Van Praag, Kempermann, et al., 1999). Както при женските, така и при мъжките гризачи упражненията подобряват поведенческите резултати при голямо разнообразие от задачи за паметта, включително силно пространствено ориентираните, базирани на хипокампуса задачи: воден лабиринт на Морис (MWM), памет за местоположение на обект (OLM) и лабиринт с радиална ръка в допълнение към други базирани на хипокампуса паметови задачи като контекстуално обуславяне на страх, пасивно избягване и разпознаване на нови обекти (Intlekofer et al., 2013; Lambert et al., 2005; O'Callaghan et al., 2007; Van Praag, Christie et al., 1999; Ван Прааг, Кемперман и др., 1999; Вивар, Потър и Ван Прааг, 2012).

При мъжки гризачи, нашите проучвания и други установиха, че е необходима минимална продължителност на упражненията от 2 седмици за ползи върху ученето и паметта, които могат да се поддържат през период на бездействие и повторно ангажиране чрез повторно въвеждане на кратка, подпрагова 2d сесия с упражнения (Berchtold et др., 2010 г.; Бътлър и др., 2019 г.; Intlekofer и др., 2013 г.). На молекулярно ниво, 2 седмици упражнения предизвикват регулиране на хипокампалния мозъчен невротрофичен протеин при мъжки плъхове (Berchtold et al., 2005).

След спадането на повишените нива на BDNF до изходното ниво, последващото повторно въвеждане в кратка, подпрагова 2d сесия на упражнения може да улесни отново повишените нива на BDNF в хипокампа (Berchtold et al., 2005). Това предполага медиирано от упражнения регулиране на BDNF като потенциален механизъм, който инициира дълготрайни невронни промени, за да даде възможност на стимул с по-ниска честота на упражнения да се възползва от тези адаптации и да улесни когнитивните ползи.

BDNF сигнализирането насърчава механизми, зависими от протеиновия синтез, за ​​индуциране на дългосрочно потенциране на хипокампала (LTP), клетъчен корелат на ученето и паметта (Panja & Bramham, 2014; Silva, 2003). Следователно се предполага, че подобряването на LTP на хипокампа след упражнение е в основата на улесненото от упражнения обучение (L. Bettio et al., 2019; Liuet al., 2011). Доколкото ни е известно, нито едно проучване досега не е изследвало дали подобрението на LTP продължава след спиране на упражненията при двата пола. Няколко проучвания показват, че упражненията за ефективно повишаване на LTP в зъбния гирус (Farmer et al., 2004; Van Praag, Christie, et al., 1999; Vasuta et al., 2007), обаче, има изненадващ недостиг на изследвания, изследващи как упражненията модулира синаптичната пластичност в подполето CA1 (Cotman et al., 2007), което служи като най-изследваната област в хипокампуса в контекста на пространствената памет (Patten et al., 2015). Следователно връзката между упражненията и пластичността на CA1 остава да бъде проучена.

Няколко проучвания подкрепят хипотезата, че ползите, предизвикани от упражнения, са динамични във времето (Berchtold et al., 2005, 2010; Butler et al., 2019; YP Kim et al., 2003). Що се отнася до женските животни, разбирането ни за този процес е по-малко забележимо, тъй като по-голямата част от работата е извършена предимно върху мъже. Проучванията на ученето и паметта предоставят доказателства, че подобни поведенчески резултати между половете могат да включват различни нервни механизми (Becker & Koob, 2016; Keizer & Wood, 2019; Sase et al., 2019). Въпреки данните, които показват, че упражненията подобряват невропластичността и когнитивните способности и при двата пола, има ясни доказателства за специфичните за пола ефекти на упражненията и основните механизми.

Нечовеци, упражненията подобряват паметта за местоположението на обекта при мъжете, а не при жените (Colemanet al., 2018). При гризачи упражненията селективно подобряват представянето на единия пол при определени задачи на паметта (Barha et al., 2017). На молекулярно ниво разпределението на BDNF в множество мозъчни структури и подрегиони на хипокампуса е различно между половете (Bakos et al., 2009; Franklin & Perrot-Sinal, 2006). Натрупаните доказателства също така подчертаха половите различия във функциите и механизмите на BDNF (Chan & Ye, 2017). Например, репродуктивният хормон, естрогенът, може да регулира експресията на BDNF чрез различни механизми, единият от които включва епигенетични модификации на BDNF промотора (Fortress et др., 2014; Moreno-Piovano и др., 2014; Chan & Ye, 2017).

Хипокампалните нива на BDNF протеин варират в рамките на цикъла на еструса с най-висока експресия, наблюдавана по време на еструс и проеструс, което предполага, че флуктуациите в нивата на естроген през целия цикъл на естроса при жените влияят по различен начин върху експресията на BDNF (Scharfman et al., 2003). В допълнение, цикълът на еструса може също да модулира цели надолу по веригата на BDNF сигналните пътища в хипокампуса (Spencer et al., 2008; Spencer-Segal et al., 2011). Експресията на няколко гена, участващи във функцията на хипокампа, също претърпява динамични промени през целия цикъл на еструса (Iqbal et al., 2020). Взети заедно, тези данни подчертават необходимостта от изследване на предизвиканите от упражнения ползи поотделно при жени и мъже.

Тъй като предишното ни проучване установи прага на упражненията, който ангажира и поддържа подобрената от упражненията когнитивна функция при мъжки мишки (Butler et al., 2019), ние използвахме същата парадигма на упражнения, за да изследваме времевата динамика на ползите, предизвикани от упражнения при женски мишки. В това проучване ние демонстрираме, че при женски мишки, 14d от доброволните упражнения позволява формиране на дългосрочна памет при подпрагови условия на придобиване на задачата за памет за местоположение на обект (OLM). Подобно на мъжете (Butler et al., 2019), първоначалните ползи, предизвикани от упражнения, се поддържат чрез 7d период на закъснение и могат да бъдат повторно ангажирани чрез кратък 2d период на реактивиране на упражненията, за да се даде възможност за формиране на дългосрочна памет при условия на подпрагово придобиване.

Ефективността на OLM не е повлияна от фазите на естралния цикъл по време на обучението или теста. Въпреки това, доброволната активност на въртене на колела беше засилена по време на фазата на еструса. В допълнение, ние демонстрираме, че упражненията повишават LTP в областта CA1 на хипокампуса при жените и този ефект продължава дори след заседнал период на забавяне, установявайки първото доказателство за временната издръжливост на индуцираната от упражнения невропластичност при жените. За наша изненада, оценката на хипокампалната експресия на Bdnf след извличане на паметта не даде разлика между експерименталните групи, което предполага, че постоянната регулация на BDNF може да не е необходима за поддържане на индуцирани от упражнения когнитивни ползи.

2. Материали и методи

2.1. Животни

Женски, 8-седмични мишки C57BL/6J (Jackson Laboratory) бяха настанени индивидуално при разбираеми условия (20 градуса ± 1 градус; 70% ± 10% влажност; 12 часа: 12 часа цикъл на светлина и тъмнина) и им беше предоставена реклама свободен достъп до храна и вода. Всички експерименти са проведени по време на светлинната фаза. Всички експерименти са проведени съгласно насоките на Националния институт по здравеопазване за грижа и употреба на животни и са одобрени от Комитета за грижа и употреба на животните на Калифорнийския университет в Ървайн.

2.2. Лечение с упражнения

Мишките бяха разделени на групи ({{0}}–0–0: n=8, 14–0–0: n=7, 14–7–0: n=8, 14–7–2; n=8) и индивидуално настанени или в клетки за упражнения (оборудвани с колело за бягане), или в клетки за седене (стандартна клетка ). Клетките за упражнения са направени от поликарбонат с размери 9,3 инча × 13,9 инча × 7,7 инча (дължина × ширина × височина) и са оборудвани с колело за движение с обиколка 40 cm, диаметър 12,7 cm (Lafayette Instruments).

Доброволното движение на колелото беше наблюдавано чрез {{0}},110сензор/брояч, включен в централен интерфейс, свързан към специален компютър със софтуер за наблюдение на ScurryActivity (Lafayette Instruments). Параметрите на упражнението се състоят от първоначален период на упражнение (0 или 14d), последван от забавяне на заседнал режим (0 или 7d), по време на което колелото за движение е отстранено. След този период на неактивност, някои мишки бяха назначени да получат сесия за реактивиране на упражнения, състояща се от 2D достъп до движещите се колела (виж Фиг. 1).

2.3. Идентифициране на етапа на естрален цикъл на мишка

Фазите на естралния цикъл се проследяват и наблюдават приблизително по едно и също време (~10 сутринта) всеки ден, започвайки от първия ден на движение на колелото. Както визуалната оценка, така и вагиналната намазка се извършват веднъж на ден, както е описано от McLean et al. (2012) и Ajayi и Akhigbe (2020). С помощта на пипета, мокри вагинални петна бяха взети в 5 uL физиологичен разтвор.

За да се предотвратят ефекти на псевдобременност (Adler & Zoloth, 1970), върхът на пипетата е внимателно позициониран, за да не проникне във вагиналния отвор. Събиращата течност се поставя върху предметно стъкло и се изсушава на въздух при стайна температура. След като цитонамазката изсъхне напълно, предметните стъкла се оцветяват с 0,1% кристално виолетово оцветяване (McLean et al., 2012). Цитологичната оценка беше извършена съответно, за да се идентифицират фазите на естралния цикъл (виж Фиг. 2E).

2.4. Подпрагова задача за памет за местоположение на обект (OLM).

2.4.1. Апарат—Подпраговата, 3-минутна задача за памет за местоположение на обект (OLM) беше проведена с помощта на набор от 4 идентични камери. Всяка камера е направена от бяла пластмаса с размери 333 mm × 320 mm × 310 mm (дължина × ширина × височина) и съдържа ~ 1 cm дълбоки Sani-Chips (PJ Murphy Forest Products). Вертикална матова черна лента беше залепена към едната страна на всяка камера, за да служи като пространствен навигационен знак. Всеки контекст беше осветен от слаба жълта светлина (~ 15 lx). Проучвателното поведение беше записано и отбелязано офлайн с помощта на софтуер за проследяване на ANY-maze (Stoelting Co.).

2.4.2. Експериментален дизайн — OLM обучение, тестване и анализ бяха извършени, както е описано от Vogel-Ciernia et al. (2015) с продължителността на придобиване, коригирана на 3 минути, която преди това показахме, че е подпрагова за кодиране, което води до лоша производителност както в краткосрочната, така и в дългосрочната памет (Butler et al., 2019; Intlekofer et al., 2013; Malvaez и др., 2013; McQuown и др., 2011). Преди обучението на OLM, мишките бяха обработени и след това свикнаха с експерименталния контекст. Мишките се обработват в продължение на 2 минути на ден в продължение на 4 последователни дни, като последните 2 дни на работа се припокриват с привикването. Привикването настъпва в продължение на 6 дни, през които мишките се излагат на експерименталния контекст в продължение на 5 минути на ден. Сесиите на привикване бяха анализирани (за определяне на изминатото разстояние и скоростта) с помощта на софтуер за анализ на поведението ANY-maze. Намалената активност през дните беше използвана като индикатор за успешно привикване (допълнителна фигура S1, S2). Независимо от режима на упражненията, колелата за бягане бяха премахнати вечерта преди тренировката на OLM, за да се елиминират непосредствените ефекти от движението на колелата върху поведението.

След привикване, мишките получиха 3-минутна сесия за придобиване, при която два идентични обекта (100-mL стъклени чаши, пълни с цимент) бяха поставени на различни места (место A1, горе вляво, йон A2, горе вдясно). Обектите бяха поставени на 9 cm един от друг, 6 cm от страничните стени и 1 cm от предната стена. За да се оцени дългосрочната памет, мишките са подложени на 5-минутен тест, 24 часа след обучението, по време на който един познат обект (в противовес) е преместен на ново място (местоположение A3, долна среда), разположено на 2,5 cm от долната стена. Изследването на обекта в романа (локация A3) спрямо познатото/фиксирано местоположение (A1) беше изследвано.

Изследването се оценява само когато главата на мишката сочи към обекта и се приближава на 1 см или когато носът докосне обекта. Беше записано общото време за изследване (t) и предпочитанието към новия обект беше изразено като индекс на дискриминация (DI=( нов −познат) / (роман + познат) × 100%). За тренировъчните сесии обектът, определен за преместване по време на тестовата сесия, беше използван като нов обект, за да позволи директно сравняване на тренировъчен и тестов DI.

Мишки, които изследваха<2 s during testing or training were excluded from the study. Mice that showed a preference for either object during training (DI > ± 20) were also excluded. All habituation, training, test, and scoring were performed by experimenters blinded to the experimental groups. Mice were sacrificed 60 min after the test and the dorsal hippocampi were dissected and stored at −80 °C until processing for RT-qPCR.

For more information:1950477648nn@gmail.com