Vyšetrenie denných variácií a pohlavných rozdielov v neurofyziológii hipokampu a priestorovej pamäti 1. časť

Abstraktné

Cirkadiánne rytmy sú biologické procesy, ktoré cyklujú 24 hodín a regulujú mnohé aspekty neurofyziológie vrátane učenia a pamäte. Cirkadiánne variácie vo výkone úloh priestorovej pamäte sú dobre zdokumentované; vplyv pohlavia v priebehu cirkadiánneho času (CT) však zostáva nejasný.

Neurofyziológia je náuka o štruktúre, funkcii a patológii nervového systému. Pamäť označuje schopnosť jednotlivca uchovávať, reprodukovať a využívať pamäťové informácie. Medzi neurofyziológiou a pamäťou je neoddeliteľný vzťah.

V neurofyziológii existuje štruktúra nazývaná synapsia, ktorá je neoddeliteľnou súčasťou nervového systému. Synapsie sú miestom, kde sa prenášajú informácie medzi neurónmi a pamäť je založená na synapsiách. Keď neurón prijíma informácie, komunikuje s ostatnými neurónmi prostredníctvom synapsií a prenáša informácie. Posilnenie alebo oslabenie týchto kontaktov tvorí základ pre tvorbu a zmenu pamäte.

Pamäť je len výsledkom viacerých výmen a výpočtov medzi rôznymi neurónmi v ľudskom mozgu. Počet neurónov v tele je pevný, to znamená, že naša pamäťová rezerva je pevná. Zlepšenie pamäte preto znamená zlepšenie sily spojení medzi neurónmi, ako aj počtu a kvality spojení medzi synapsiami, čo si vyžaduje ďalšie znalosti neurofyziológie.

Preto je neurofyziologický výskum veľmi prospešný pre zlepšenie individuálnej pamäte. Učenie sa o neurofyziológii nám môže pomôcť lepšie pochopiť, ako funguje ľudský mozog, čo nám umožní zlepšiť pamäť cvičením a tréningom. Niektoré metódy zahŕňajú posilňovanie spojení medzi neurónmi tým, že viac čítame a viac premýšľame a zlepšujeme množstvo a kvalitu synapsií vykonávaním rôznych mentálnych cvičení.

Stručne povedané, neurofyziologický výskum nám môže nielen pomôcť lepšie pochopiť vzťah medzi ľudským mozgom a pamäťou, ale tiež poskytnúť rôzne metódy a techniky na zlepšenie individuálnej pamäte. Preto by sme sa mali aktívne učiť relevantné poznatky o neurofyziológii, aby sme vytvorili lepšie prostredie pre našu pamäť. Je vidieť, že si musíme zlepšiť pamäť. Cistanche deserticola môže výrazne zlepšiť pamäť, pretože Cistanche deserticola je tradičný čínsky liečivý materiál s mnohými jedinečnými účinkami, z ktorých jedným je zlepšenie pamäte. Účinnosť mletého mäsa spočíva v rôznych aktívnych zložkách, ktoré obsahuje, vrátane kyselín, polysacharidov, flavonoidov atď. Tieto zložky môžu podporovať zdravie mozgu rôznymi spôsobmi.

Kliknite na spoznajte 10 spôsobov, ako zlepšiť pamäť

Okrem toho je málo známe o vplyve času dňa na fyziológiu hipokampálnych neurónov. Tu sme skúmali vplyv pohlavia aj dennej doby na hipokampálnu neurofyziológiu a pamäť u myší. Výkon pri úlohe pamäte na umiestnenie objektov (OLM) závisel od cirkadiánneho času aj pohlavia, pričom pamäť sa zlepšila v noci u mužov, ale u žien počas dňa. Veľkosť dlhodobej synaptickej potenciácie (LTP) na synapsiách CA3-CA1 bola väčšia v noci v porovnaní so dňom u oboch pohlaví.
Ďalej sme merali spontánnu synaptickú excitáciu a inhibíciu na CA1 pyramidálnych neurónoch. Frekvencia a amplitúda inhibície boli vyššie počas dňa v porovnaní s nocou, bez ohľadu na pohlavie. Frekvencia a amplitúda excitácie boli väčšie u žien v porovnaní s mužmi, nezávisle od času dňa, hoci čas dňa aj pohlavie ovplyvnili pravdepodobnosť presynaptického uvoľnenia.

V noci CA1 pyramidálne neuróny vykazovali zvýšenú excitabilitu (spaľovanie akčného potenciálu a / alebo potenciál základnej línie), ktorá bola závislá od synaptickej excitácie a inhibície, bez ohľadu na pohlavie. Táto štúdia zdôrazňuje dôležitosť pohlavia a dennej doby vo fyziológii hipokampu, najmä vzhľadom na to, že mnohé neurologické poruchy ovplyvňujúce hipokampus sú spojené s cirkadiánnym narušením a prejavujú sa odlišne u mužov a žien. Poznatky o tom, ako sex a cirkadiánne rytmy ovplyvňujú fyziológiu hipokampu, môžu zlepšiť translačný význam terapeutík a informovať o vhodnom načasovaní existujúcich liečebných postupov.

Kľúčové slová:

cirkadiánny; hippocampus; Pamäť; plasticita; rytmy; synaptické.

Vyhlásenie o význame

Cirkadiánne rytmy regulujú mnohé aspekty neurofyziológie, vrátane kognície. Vplyv dennej doby a pohlavia na hipokampálnu neurofyziológiu a pamäť závislú od hipokampu však zostáva do značnej miery nepreskúmaný.

Tu uvádzame, že cirkadiánna regulácia pamäte umiestnenia objektu (OLM) je závislá od pohlavia. Okrem toho vyšetrenie hipokampálnej fyziológie v priebehu dňa u oboch pohlaví odhalilo: zvýšenú dlhodobú synaptickú potenciáciu v noci, väčší denný inhibičný synaptický prenos na pyramidálne neuróny CA1, účinky oboch pohlaví a dennej doby na excitačný synaptický prenos na CA1 pyramídové neuróny a zvýšenú nočnú excitabilitu CA1 pyramídových neurónov, ktorá je závislá na synaptickom vstupe a polohe pozdĺž predo-zadnej hipokampálnej osi. Tieto výsledky podčiarkujú dôležitosť zohľadnenia pohlavia, regionálnej polohy a dennej doby pri štúdiu fyziológie hipokampu.

Úvod

Hipokampus je sídlom učenia a pamäti v mozgu a jeho primárny výstup tvoria hlavné bunky (tj pyramídové neuróny) v oblasti CA1. Spúšťanie akčného potenciálu pyramídovým neurónom CA1, podobne ako ktorýkoľvek iný neurón, je kombinovanou funkciou excitačného a inhibičného synaptického pohonu, vlastností vnútornej membrány regulujúcej excitabilitu a neuromodulátorov (Spruston, 2008).

Relatívne nepreskúmaným aspektom v hipokampe je spôsob, akým je fyziológia pyramídových neurónov CA1 modulovaná dennou dobou. Na bunkovej úrovni sú denné variácie v biologickej funkcii generované transkripčno-translačnou slučkou spätnej väzby (Partch et al., 2014). Tkanivové hodiny v celom tele sú hierarchicky usporiadané v systéme, ktorý riadi načasovanie 24-hodinových rytmov vo fyziológii a správaní, čo organizmom umožňuje prispôsobiť sa pravidelne sa vyskytujúcim udalostiam v ich prostredí a predvídať ich (Pilorz et al., 2020; Buijs et al., 2021).

Cirkadiánna regulácia fyziologických procesov je výhodná a dysregulácia cirkadiánnych rytmov môže podporiť a zhoršiť nástup ochorenia a symptómy (Logan a McClung, 2019; Colwell, 2021). Preto je pochopenie cirkadiánneho vplyvu na fyziológiu kľúčové pre navrhovanie intervencií pre choroby s cirkadiánnou dysfunkciou, ako sú neurodegeneratívne ochorenia (Lee et al., 2021).

Navyše väčšina základných poznatkov o základných princípoch hipokampálnej fyziológie je založená na štúdiách vykonaných na nočných, väčšinou samcoch, hlodavcoch počas ich neaktívnej fázy (denná). Zatiaľ čo sa vedecká komunita začala zaoberať dôležitosťou pohlavia ako faktora v biomedicínskom výskume, dôležitosť dennej doby je stále relatívne podceňovaná. Hlavným cieľom tejto štúdie bolo začať odhaľovať, ako sa pohlavie a denná doba vzájomne ovplyvňujú, aby ovplyvnili denné variácie vo fyziológii a funkcii hipokampu.

Suprachiazmatické jadro (SCN) hypotalamu je hlavným orchestrátorom endogénnej cirkadiánnej siete a elektrické vlastnosti neurónov SCN sa menia v priebehu dňa.

Cirkadiánna regulácia neuronálnej excitability je rozšírená v mozgu cicavcov (Paul et al., 2020) a bola pozorovaná u mnohých druhov vrátane hlodavcov (Snider et al., 2018), Drosophila (Cao a Nitabach, 2008; Sheeba, 2008), andzebrafish (Elbaz et al., 2013). Hoci sú SCN hlavnými hodinami, autonómne cirkadiánne hodiny existujú v iných oblastiach mozgu, vrátane hipokampu (Paul a kol., 2020; Hartsock a Spencer, 2020). Na molekulárnej úrovni subregióny hipokampu rytmicky exprimujú proteíny základných hodín, pričom vrstva tela bunky v oblasti CA1 má najsilnejšiu expresiu PER2 (Jilg et al., 2010). Okrem toho viac ako 600 génov, vrátane tých, ktoré kódujú iónové kanály a synaptické proteíny, vykazuje cirkadiánnu expresiu v hipokampe (Zhang et al., 2014; Renaud et al., 2015).

Na bunkovej úrovni sa dlhodobá potenciácia (LTP), forma plasticity, v ktorej špecifické vzorce synaptickej stimulácie vedú k dlhodobému zvýšeniu sily synaptického prenosu, prejavuje vo väčšej miere v noci v porovnaní so dňom u nočných myší (Chaudhury a kol., 2005; Besing a kol., 2017; Davis a kol., 2020). Kognitívna funkcia je tiež regulovaná cirkadiánnym systémom (Wright et al., 2012) a cirkadiánna regulácia výkonu v testoch pamäte závislých od hipokampu bola preukázaná u niekoľkých druhov (Snider et al., 2018).

Naše chápanie toho, ako pohlavie ovplyvňuje cirkadiánnu reguláciu kognície, je však obmedzené. Okrem toho chýbajú dôkazy na bunkovej úrovni, vrátane podrobného pochopenia toho, ako denná doba a pohlavie regulujú synaptický pohon a membránové vlastnosti pyramidálnych buniek CA1. Tu sme sa snažili určiť, ako pohlavie a denná doba modulujú hipokampálny okruh: od úrovne správania až po individuálnu neuronálnu fyziológiu.

Zistili sme, že cirkadiánna regulácia pamäte závislej od hipokampu je závislá od pohlavia, zatiaľ čo denné a nočné rozdiely v hipokampálnom LTP nie sú. Zistili sme tiež, že synaptický prenos a neurónová excitabilita sa menia v závislosti od dennej doby a odhalili sme, že niektoré z týchto zmien závisia od pohlavia.

Materiály a metódy

Zvieratá

Všetky postupy na zvieratách sa riadili Príručkou pre starostlivosť a používanie laboratórnych zvierat, United States Public Health Service a boli schválené Alabamskou univerzitou v Birminghame Institutional Animal Care and Use Committee. Všetky experimenty použili 6- na 12-týždňové myši C57BL/6J oboch pohlaví získané z Jackson Laboratories (http://jaxmice.jax.org/strain/013636.html) alebo z kolónie C57BL/6J na University of Alabama v Birminghame.

Myši boli udržiavané v cykle 12/12 h svetlo/tma s ad libitným prístupom k potrave (LabDiet Rodent 5001 od Purina) a vode. Myši boli umiestnené v skupinách v klietkach pre štyri myši rovnakého pohlavia na experimenty so správaním. Vo všetkých ostatných experimentoch boli myši v skupinách umiestnené v klietkach pre osoby rovnakého pohlavia po dvoch až siedmich myšiach na klietku.

Pamäť umiestnenia objektu (OLM)

Úloha pamäte polohy objektu (OLM) (Snider et al., 2016) bola vykonaná pri tlmenom červenom svetle 10 luxov. Boli použité štyri kohorty myší, pričom každá kohorta pozostávala z ôsmich samcov a ôsmich samíc. V rámci každej kohorty boli myši pridelené na privykanie, tréning a testovanie buď počas dňa alebo počas noci. V kohortách 1 a 3 boli muži testovaní počas dňa a ženy boli testované v noci. V kohortách 2 a 4 boli ženy testované počas dňa a muži boli testovaní v noci.

Myši boli strhávané do 12/12-hodinového cyklu svetlo/tma (LD) a potom boli privykané na arénu na 2 dni buď v Zeitgeberovom čase (ZT) štyri alebo ZT 16 (kde ZT 12 znamená vypnuté svetlá), na deň a noc, (1. až 2. deň; obr. 1A, B). Po 2. dni boli myši prepustené do konštantnej tmy (DD) a opäť si zvykli na arénu v predpokladanom cirkadiánnom čase (CT) 4 alebo 16 (dni 3–4, kde CT 12 označuje projektovaný čas vypnutia svetiel z predchádzajúceho cyklu LD; Obr. 1A, B). Myši sa nechali aklimatizovať v miestnosti správania počas 20 minút každý deň bezprostredne pred privykaním alebo tréningom/testom.

Zvyk pozostával z 5 minút manipulácie, po ktorých nasledovalo 5 minút skúmania arény s vizuálnym podnetom. Vizuálne signály pozostávali z vertikálnych pruhov na jednej stene a veľkého červeného X na druhej stene. Arény boli 35,5 25,4 cm s 20,3 cm vysokými stenami. Tréning a testovanie OLM sa uskutočnilo v DD, 24 hodín po poslednom dni privykania na projektované CT štyri alebo CT 16. Objekty boli vyrobené pomocou stavebných blokov PRETEX (položka č. 8030-100) a mali tri možné pozície v rámci arény, všetky aspoň 8,9 cm od stien.

Počas tréningu bolo každej myši umožnené skúmať arénu s dvoma objektmi počas 5 minút. Potom bola myš vrátená do svojej domovskej klietky na 30 minút, počas ktorých bol jeden z predmetov z pôvodného prieskumu presunutý do novej polohy (nové umiestnenie), pričom jeden zostal na svojej pôvodnej polohe (známe miesto; obr. 1C). 30-min. perióda spomínania bola zvolená na základe predtým publikovaných metód (Snider et al., 2016) a s cieľom vyhnúť sa interferencii s pamäťou z dôvodu nedostatku spánku alebo zlepšenia pamäte z nočného spánku.

V testovacej fáze bola každá myš umiestnená späť do arény s novými a známymi lokačnými objektmi a nechala sa skúmať 5 minút. Všetky návyky, tréning a testovanie boli zaznamenané pri 30 FPS (ELP Camera Model: ELP-USBFHD05MT-KL36IR). Prieskum bol sledovaný pomocou počítačového modelu vytvoreného pomocou DeepLabCut. Interakcia objektu sa potom analyzovala pomocou vlastných skriptov MATLAB (MathWorks) vyvinutých Mary Phillips (https://github.com/PhillipsML/DLC-NovelObject#dlc-novel object). Na analýzu údajov sa použilo niekoľko kritérií vylúčenia: myši, ktoré vykazovali jasná vedľajšia preferencia, myši, ktoré trávili väčšinu času skúmaním objektov, aby sa pokúsili uniknúť z arény, a myši s vysokou preferenciou jedného objektu pred druhým počas tréningu boli vylúčené. Diskriminačný index sa vypočítal ako: (čas strávený skúmaním polohy nového objektu čas strávený skúmaním polohy známeho objektu)/(čas strávený skúmaním polohy nového objektu 1 čas strávený skúmaním polohy známeho objektu).

Elektrofyziológia

Príprava plátkov

Myši boli usmrtené cervikálnou dislokáciou a rýchlou dekapitáciou pri ZT {{0}}-1 alebo ZT 11–12 pre denné a nočné experimenty, v danom poradí. Pohlavie aj denná doba boli prepojené. Pre extracelulárne poľné experimenty sa odstránili mozgové závity a pomocou vibratómu VT1200 S (Leica Biosystems) sa pripravili 350-mm koronálne rezy v ľadovo studenom roztoku obsahujúcom nasledovné (v mM): 85 NaCl, 2,5 KCl, 4 MgS04 * 7H2O , 0,5 CaCl2 x 2H20, 1,25 NaH2P04, 75 Sacharóza, 25 NaHC03, 25 Glukóza nasýtená v 95 % O2 a 5 % C02. Plátky sa nechali odpočívať aspoň 1 hodinu v regeneračnom roztoku štandardného umelého CSF ​​(ACSF) obsahujúcom nasledujúce (v mM): 119 NaCl, 2,5 KCl, 1,3 MgS04 * 7H20, 2,5 CaCl2 * 2H20, 1 NaH2P04, 26 NaHC03, a 11 glukózy, prebublávané 95 % O2/5 % C02.

Pre celobunkové náplasťové experimenty boli odstránené mozgy a pomocou vibratómu VT1200 S (LeicaBiosystems) v ľadovo studenom roztoku obsahujúcom nasledujúce (v mM) boli pripravené koronálne rezy s hrúbkou 300- mm : 110 cholínchloridu, 25 g glukózy, 7 MgCl2, 2,5 KCl, 1,25 Na2P04, 0,5 CaCl2, 1,3 Na-askorbátu, 3 Na-pyruvátu a 25 NaHC03, prebublávané 95 % 02/5 % C02.
Plátky sa nechali odpočívať aspoň 1 hodinu pri teplote miestnosti v regeneračnom roztoku obsahujúcom nasledovné (v mM): 125 NaCl, 2,5 KCl, 1,25 Na2P04, 2 CaCl2, 1 MgCl2, 25 NaHC03 a 25 glukóza, prebublávaná 95 % O2/ 5 % CO2. Pre experimenty merajúce inhibičné synaptické udalosti sa do regeneračného roztoku pridala 2 mM kyselina kynurenická.

Záznamy v teréne

Údaje boli získané zo ZT 1–6 alebo ZT 12–18 pre denné a nočné záznamy. Koronálne plátky hipokampu sa umiestnili do ponornej komory a kontinuálne sa premývali štandardným ACSF pri 3–5 ml/min a 26–28 stupňoch. Schafferove kolaterálne axóny sa stimulovali pomocou bipolárnej stimulačnej elektródy umiestnenej v stratum radiatum oblasti CA3. Poľné EPSP (fEPSP) sa získali pomocou záznamovej elektródy umiestnenej v stratum radiatum oblasti CA1, do 200–300 mm od stimulačnej elektródy.

Počiatočný sklon fEPSP (sklon fEPSP) bol meraný v lineárnej oblasti bezprostredne po vlákne a pred vrcholom fEPSP. Údaje sa získali a analyzovali s použitím pCLAMP10/11 (Molecular Devices). Údaje sa zaznamenali pomocou zosilňovača Kerr Scientific S2 (Kerr Tissue RecordingSystem, Kerr Scientific Instruments). Signály boli digitalizované pri 10 kHz (Digidata 1550B).

Vstupno-výstupné (I/O) krivky boli vytvorené meraním sklonu fEPSP z CA1 stratum radiatum ako odozva na sériu zvyšujúcich sa intenzít stimulácie (0.2–200 mA , D 10 mA) na Schaffer Collaterals. Základné hodnoty fEPSP sa získali pomocou stimulácie 0.1-Hz na vyvolanie fEPSP približne 0,20 mV/ms počas 20 minút.

Experimenty s dlhodobou potenciáciou (LTP) sa uskutočňovali získaním a udržiavaním stabilnej základnej línie fEPSP odozvy počas 2 0 min. 15- s interval). Tento slabší stimulačný protokol bol zvolený, aby sa predišlo maskovaniu rozdielu deň/noc v magnitúde LTP (Besing a kol., 2017; Davis a kol., 2020). Po HFS sa sklony fEPSP zaznamenávali počas 40 minút.

For more information:1950477648nn@gmail.com