Časť 1: Jedinečný myšací model cvičenia v ranom veku umožňuje pamäť hipokampu a synaptickú plasticitu
Mar 15, 2022
pre viac informácií:{0}}
Autumn S. ivy1,4 ✉, TimYu1, Enikö Kramár3,4, Sonia Parievsky2, Fred Sohn2 & thaoVu2
fyzické cvičenie je silným modulátorom učenia aPamäť. Mechanizmy, ktoré sú základom kognitívnych výhod cvičenia, sú dobre zdokumentované u dospelých hlodavcov. Chýbajú cvičebné štúdie zamerané na postnatálne obdobia dozrievania hipokampu (špecificky zamerané na obdobia synaptickej reorganizácie a plasticity). Charakterizujeme model cvičenia v ranom veku (ELE) u samcov a samíc myší navrhnutý tak, aby identifikoval kritické obdobia, v ktorých môže mať cvičenie trvalý vplyv na hippocampal.Pamäťa synaptickú plasticitu. Myši mali voľný prístup k bežeckému kolesu počas troch postnatálnych období: 4. postnatálny týždeň (juvenilný ELE, P21–27), 6. postnatálny týždeň (adolescentný ELE, P35–41) alebo 4. -6. postnatálny týždeň (juvenilný-adolescent ELE, P21–41). Všetky cvičebné skupiny zvýšili svoje bežecké vzdialenosti počas ELE. Pri vystavení podprahovému stimulu učenia sa juv ELE a juvadol ELE vytvorili dlhodoboPamäťpre umiestnenie objektuPamäťúlohu, zatiaľ čo sedavé a dospievajúce ELE myši nie. Elektrofyziologické experimenty odhalili zvýšenú dlhodobú potenciáciu v hipokampálnom CA1 v skupine juvenilných-adolescentných ELE. I/O krivky boli tiež výrazne modulované
u všetkých myší, ktoré podstúpili ELE. Naše výsledky naznačujú, že cvičenie v ranom veku, konkrétne počas 4. postnatálneho týždňa, môže umožniť hipokampusPamäť, synaptickú plasticitu a menia excitabilitu hipokampu, keď sa vyskytujú počas postnatálnych období dozrievania hipokampu.
Kliknite naCistanche herba na zlepšenie pamäti
Cvičenie v dospelosti je vysoko účinné pri zlepšovaní kognitívnych funkcií u ľudí aj u hlodavcov1,2. U detí klinické štúdie pozitívne spájajú vyššiu úroveň fyzickej aktivity so zlepšenou prácoupamäť 3, akademický výkon4 a štrukturálne zdravie mozgu5. Predklinické modely cvičenia využívajúce dospelých hlodavcov identifikovali základné neurobiologické mechanizmy, pomocou ktorých môže cvičenie zlepšiť závislosť od hipokampuPamäť: cvičenie zvyšuje neurogenézu6, vaskularizáciu7, číslo synapsií8, uľahčuje dlhodobú potenciáciu (LTP) v DG9–11 (ale pozri 12 týkajúce sa samíc myší) a v určitých prípadoch oblasť CA113,14 (ale pozri 15) a indukuje niekoľko synaptických génov a proteíny, vrátane kľúčového rastového faktora modulujúceho plasticitu neurotrofického faktora odvodeného z mozgu (BDNF;16,17). Existujú určité dôkazy, že cvičenie môže zapájať podobné mechanizmy plasticity vo vyvíjajúcom sa mozgu18, chýbajú však štúdie zamerané na neurobiologické následky cvičenia v ranom veku. Avšak práve počas vývojových období v ranom veku môžu mať účinky cvičenia najväčší dlhodobý prínosPamäťa kognitívne schopnosti počas celého života19.
Kognitívne a neurotrofické účinky cvičenia počas dospelosti sú prechodné, zdá sa, že miznú v priebehu dní až týždňov. Napríklad jedna štúdia cvičila dospelých potkanov počas troch týždňov a potom dva týždne po ukončení cvičenia vykonala kognitívne testovanie. Tese potkany mali slabšiePamäťvýkon pri úlohe v bludisku s radiálnymi ramenami po sedavom zamestnaní dva týždne po cvičení. S týmto financovaním bolo spojené postupné znižovanie mRNA a proteínu BDNF v hipokampe, ktoré sa nakoniec vrátilo na východiskovú úroveň 14 dní po ukončení cvičenia20. Na rozdiel od toho, novšie štúdie sa zamerali na cvičenie v ranom veku a to je prínosom pre priestorovéPamäťa plasticita hipokampu pretrváva do dospelosti, keď sa s cvičením začne v adolescencii21–23. Tis naznačuje trvalý účinok skúseností s cvičením dospievajúcich na učenie a pamäť24. Presné časové okná, pomocou ktorých môže skúsenosť s cvičením v ranom veku podporiť trvalé zmeny v neuronálnej funkcii, plasticite hipokampu a správaní, ešte neboli dôkladne preskúmané.
Mozog cicavcov prechádza zdĺhavým postnatálnym vývojom spôsobom špecifickým pre región a funkčnú sieť25,26. U ľudí neuronálna diferenciácia a synaptogenéza v hipokampe dosahujú 1 Katedru pediatrie, Kalifornská univerzita – Irvine School of Medicine, Irvine, USA. 2 School of Biological Sciences, University of California-Irvine, Irvine, USA. 3 Katedra neurobiológie a správania, University of California-Irvine, Irvine, USA. 4 Centrum pre neurobiológiu učenia aPamäť, Irvine, CA, USA. ✉ e-mail:aivy@uci.edu
na úrovni dospelých okolo 3-5 rokov27, čo je približne čas, kedy deti dokážu spoľahlivo vytvárať dlhodobé priestorovéPamäť28. U hlodavcov dosahuje hipokampus míľniky v hustote synapsií a zjemňovaní okruhu počas 3. až 4. postnatálneho týždňa (prehľad 29,30), čo sa zhoduje s rozvojom stabilnej dlhodobej potenciácie (LTP31,32) a etablovaním učenia aPamäťfunkcie33,34. Charakteristickým znakom postnatálneho dozrievania mozgu je synaptická nadprodukcia a následné prerezávanie35, vďaka čomu sú tieto vývojové procesy mimoriadne citlivé na environmentálne skúsenosti36. Normálne procesy postnatálneho neurovývoja sa pravdepodobne riadia špecifickými vzormi génovej expresie závislými od aktivity a skúseností, ktoré v konečnom dôsledku informujú o funkcii buniek v obvodoch37,38. Je preto rozumné zamerať sa na definované obdobia štrukturálneho a funkčného dozrievania hipokampu pomocou biologických myších modelov, aby sa odhalili časové okná postnatálneho vývoja, pomocou ktorých môže byť funkcia hipokampu neustále modulovaná skúsenosťami s cvičením.
V tejto štúdii sme vyvinuli model dobrovoľnej fyzickej aktivity počas špecifických vývojových období v ranom veku u myší (cvičenie v ranom veku alebo ELE), aby sme vyriešili hypotézu, že načasovanie cvičenia počas postnatálneho hipokampálneho dozrievania môže viesť k trvalým prínosom v kognitívnych funkcie a synaptickej plasticity. Budeme označovať 4. týždeň života u myši (postnatálne dni 21 – 27) ako „juvenilné“ obdobie, odlišné od adolescencie (5. -6. postnatálne týždne, ako je uvedené v 39,40). Ukázali sme, že samce aj samice myší, ktoré podstupujú cvičenie počas juvenilného obdobia, vykazujú priestor závislý od hippocampuPamäťzvýšená dlhodobá potenciácia a zmeny synaptickej excitability. Dôležité je, že náš model ELE možno použiť na odhalenie dočasne špecifických molekulárnych mechanizmov zapojených do ELE na trvalé ovplyvnenie funkcie a správania neurónov.
Výsledky
Charakteristiky bežeckého správania a prírastku hmotnosti v modeli myši v ranom veku (ELE). Vzhľadom na vývojové načasovanie dobrovoľného cvičenia v tomto modeli sme predpokladali, že budú existovať dôležité rozdiely špecifické pre pohlavie a bežecké skupiny v prírastku hmotnosti a vzdialenosti v priebehu času. Tieto rozdiely budú závisieť od načasovania (juvenilný a/alebo adolescencia) a trvania (1- alebo 3-týždňov) expozície cvičeniu v ranom veku. Samce a samice myší boli buď odstavené priamo do klietok bez bežiaceho kolesa (sed), vybavené bežiacim kolesom na P21 (juv ELE a juv-Adol ELE skupiny) alebo umiestnené do klietok bez bežiacich kolies až do P35 (adol ELE skupina, obr. 1a). Samostatná skupina myší bola umiestnená so stacionárnym kolesom počas P21–41 (sta). ELE myši sa nechali bežať buď jeden týždeň (juv ELE a Adol ELE skupiny) alebo tri týždne (juv-Adol ELE skupina, obr. la). Všetky myši boli umiestnené v pároch, aby sa predišlo účinkom stresu zo sociálnej izolácie41. Myši mali tendenciu behať počas fázy tmy. Vo všetkých bežeckých skupinách sa cvičebná expozícia uskutočnila buď tesne pred alebo počas dospievajúcich rastových skokov u myší (zvyčajne sa vyskytujúcich počas 4. -5 postnatálneho týždňa), takže prírastok hmotnosti medzi P21 a P42 sa porovnával medzi skupinami sed a ELE a medzi pohlaviami. Dvojcestná ANOVA odhalila významnú interakciu medzi pohlavím a skupinou ELE, čo naznačuje, že ELE má rozdielne účinky na prírastok hmotnosti v závislosti od pohlavia (obr. 1b; F(4,94)=2.48, p {{26} }.049). Post hoc viacnásobné porovnania odhalili, že u samcov juv-Adol ELE myši mali významne nižší prírastok hmotnosti ako len ELE myši (p=0,045). Samice myší umiestnené so stacionárnym kolesom (sta) mali výrazne väčší prírastok hmotnosti ako sed (p=0,0005), juv-Adol ELE (p=0,0007) a adol ELE samice myší (p < 0,0001).="" tieto="" zistenia="" naznačujú,="" že="" dlhšie="" trvanie="" expozície="" ele="" (tri="" týždne)="" počas="" dospievania/dospievania="" významne="" znižuje="" prírastok="" hmotnosti="" u="" samcov="" myší,="" zatiaľ="" čo="" u="" samíc="" myší="" viedla="" prítomnosť="" stacionárneho="" kolesa="" k="" väčšiemu="" prírastku="" hmotnosti="" ako="" u="" myší="" v="" sedavých="" klietkach="" bez="" behu.="" koleso="" a="" myši,="" ktoré="" behali="" počas="">
Ďalej sme sa zaoberali otázkou, či existujú rozdiely medzi pohlaviami v denných a kumulatívnych bežeckých vzdialenostiach v našich troch skupinách ELE. Samce a samice myší Jul-adol ELE postupne zvyšovali svoju dennú vzdialenosť behu počas 3 týždňov (obr. 1c). Obojsmerná ANOVA s opakovanými meraniami odhalila významný účinok postnatálneho dňa (F(3,57)=41,95, p < 0.00{{="" 58}}1)="" a="" významnú="" interakciu="" so="" sexom="" (f(20,400)="2.15," p="0.003)." nebol="" zaznamenaný="" žiadny="" nezávislý="" vplyv="" pohlavia="" na="" dennú="" ubehnutú="" vzdialenosť="" (f(1,20)="0,15," p="0,70)," ani="" nebol="" medzi="" pohlaviami="" významný="" rozdiel="" v="" celkovej="" kumulatívnej="" ubehnutej="" vzdialenosti="" (="" p="0.70)." pri="" hodnotení="" cvičebného="" správania="" myší="" bežiacich="" kratší="" čas="" (1-týždeň)="" sme="" zistili,="" že="" dni="" po="" narodení="" mali="" významný="" vplyv="" na="" dennú="" vzdialenosť="" behu="" u="" myší="" juv="" ele="" (obr.="" 1d;="" f(3,51)="" {="" {29}},93,="" p="">< 0,0001).="" tere="" nebol="" žiadny="" nezávislý="" vplyv="" pohlavia="" na="" ubehnutú="" vzdialenosť="" (f(1,15)="1.11," p="0.31)" a="" žiadna="" interakcia="" (f(6,90)="1." 20,="" str.="0.31)." na="" rozdiel="" od="" toho,="" adol="" ele="" myši="" mali="" štatisticky="" významnú="" interakciu="" postnatálny="" deň="" x="" pohlavie="" (obr.="" 1e;="" f(6,84)="4.77," p="0.0003)." aj="" keď="" samice="" dospelých="" myší="" ele="" mali="" ku="" koncu="" obdobia="" behu="" adolescentov="" tendenciu="" menej="" behať,="" nedosiahlo="" to="" významnosť="" (p=""> 0,05). Podobne ako u všetkých ostatných bežeckých skupín, aj u dospelých ELE myší sa výrazne zvýšilo ich behanie počas postnatálnych dní (F(4,58)=24,87, p < 0,0001).="" ďalej="" sme="" porovnali="" denné="" a="" kumulatívne="" bežecké="" vzdialenosti="" u="" 1-týždňových="" bežcov,="" pričom="" sme="" očakávali,="" že="" bežecká="" vzdialenosť="" bude="" výrazne="" väčšia="" u="" dospelých="" ele="" myší="" v="" porovnaní="" s="" juv="" ele="" myšami="" (bez="" ohľadu="" na="" pohlavie)="" vzhľadom="" na="" ich="" vývojové="" štádium="" a="" rozdiely="" v="" telesnej="" hmotnosti="" pri="" vstupe="" bežecké="" klietky.="" neboli="" zistené="" žiadne="" rozdiely="" medzi="" pohlaviami="" v="" celkovej="" ubehnutej="" vzdialenosti="" v="" rámci="" skupín="" mladých="" a="" dospievajúcich="" ele="" (obr.="" 1f–h);="" avšak="" kumulatívna="" vzdialenosť="" prejdená="" počas="" ich="" príslušných="" bežeckých="" periód="" bola="" významne="" väčšia="" v="" skupine="" ele="" u="" dospelých="" v="" porovnaní="" so="" skupinou="" ele="" mladistvých,="" a="" to="" platilo="" pre="" obe="" pohlavia="" (muži:="" t(15)="11.96," p="">< 0,0001;="" ženy:="" t(14)="4,69," p="0,0004)." celkové="" vzdialenosti="" prebehnuté="" na="" klietku="" počas="" trvania="" záťažovej="" expozície="" boli="" nasledovné:="" myši="" juv-adol="" ele;="" muži="87,8" ±="" 6,9="" km,="" ženy="92,2" ±="" 9,3="" km;="" juv="" ele="" myši;="" muži="14,7" ±="" 1,8="" km,="" ženy="12,29" ±="" 1,2="" km;="" adol="" ele="" myši;="" muži="53,6" ±="" 2,8="" m,="" ženy="41,8" ±="" 6,2="" km.="" v="" súhrne="" všetky="" bežecké="" skupiny="" a="" obe="" pohlavia="" myší="" postupne="" a="" výrazne="" zvyšovali="" svoje="" bežecké="" vzdialenosti="" v="" priebehu="" času.="" kumulatívne="" množstvo="" dobrovoľného="" behu="" počas="" bežeckého="" obdobia="" záviselo="" od="" toho,="" kedy="" sa="" začalo="" s="" cvičením="" v="" ranom="" veku="" (v="" období="" dospievania="" vs.="" v="">
Cvičenie mladistvých umožňuje dlhodobéPamäťu samcov aj samíc myší trvalým spôsobom. Predchádzajúce štúdie preukázali, že u dospelých myší sú na zlepšenie dlhodobej pamäte vyvolané cvičením potrebné minimálne 2–3 týždne cvičenia42,43; avšak minimálne množstvo cvičenia je potrebné pre prínosy pre učenie aPamäťu juvenilných a dospievajúcich myší nebola stanovená. Okrem toho v
Obrázok 1. Experimentálny dizajn, behové správanie a trendy hmotnosti v ranom modeli cvičenia. (a) Schéma experimentálneho návrhu. Po odstavení na P21 boli samce a samice myší divokého typu v juv ELE a juvadol ELE umiestnené v klietkach vybavených kolesami pre dobrovoľný chod na 1 týždeň (juv ELE) alebo 3 týždne (juvadol ELE). Myši Adol ELE boli umiestnené v klietkach na P35 a nechali sa voľne behať 1 týždeň. Všetky myši sa potom testovali na mieste objektuPamäť(OLM) alebo obetované pre elektrofyziologické štúdie. (b) Významný rozdiel v prírastku hmotnosti počas periód ELE sa pozoroval medzi skupinami samcov juv ELE a juvadol ELE. Samice stacionárnych myší pribrali podstatne viac na váhe ako sedavé myši, juv-adol ELE a adol ELE myši. (c – e) Všetky myši ELE významne zvýšili svoju bežnú vzdialenosť počas skorého obdobia života s prístupom ku kolesu. (f–h) V žiadnej skupine ELE neprebehli žiadne rozdiely medzi pohlaviami v celkovej kumulatívnej vzdialenosti. Údaje sa analyzovali pomocou jednosmernej ANOVA s post-hoc porovnávaním alebo Studentovým t-testom: **p Menšie alebo rovné 0.01 a ***p Menšie alebo rovné 0,001. n=8–12 cvičebných klietok na skupinu, 2 myši na klietku. Diagram experimentálneho dizajnu vygenerovaný s akademickým predplatným Biorender.com.
dospelých myší, vyvolaných cvičenímPamäťvýhody začnú miznúť 3 dni po ukončení cvičenia43. Či ELE prospieva hipokampuPamäťna dlhšie (alebo kratšie) trvanie ako u dospelých myší po ukončení cvičenia je nezodpovedanou otázkou. Preto sme testovali nasledujúce hypotézy: 1) že učebný stimul zvyčajne dlhodobo nepostačujePamäťtvorba sedavých myší divokého typu sa môže stať dostatočnou po ELE (ako je tomu po 2–3 týždňoch cvičenia v dospelosti) a 2) načasovanie cvičenia v ranom veku počas juvenilných a/alebo adolescentných období bude mať trvalý vplyv na trvanie zlepšení vyvolaných ELE z dlhodobého hľadiskaPamäť.
Obrázok 2. Juvenilný-adolescentný ELE vedie k zlepšenému rozpoznávaniu nových objektovPamäťu samcov a samíc myší. (a) Schéma experimentálneho dizajnu OLM. (b, c) Analýza habituácie odhalila samce a samice dospievajúcich myší podobne zvyknutých na komory OLM, bez ohľadu na skupinu, čo dokazuje výrazne znížená vzdialenosť prejdená v štúdiách. (d) Získanie OLM u {{0}}min trénovaných samcov a samíc myší nepreukázalo žiadnu významnú diskrimináciu objektov. (e) Počas testovania OLM všetky myši preukázali významné skúmanie nového objektu a medzi skupinami neboli žiadne významné rozdiely v DI. (f) Žiadne rozdiely v celkovom prieskume počas testovania OLM u 10- min. trénovaných myší. (g) Myši trénované 3- min počas získavania OLM nepreukázali preferenciu objektu. (h) Samce myší Juv ELE a juv-adol ELE a samice myší juv ELE mali významnú preferenciu pre objekt umiestnený na novom mieste v porovnaní so sedavými kontrolami, zatiaľ čo myši adol ELE nie. (i) Celkové časy prieskumu počas testovania OLM u 3-min trénovaných myší sa medzi skupinami alebo pohlaviami nelíšili. Porovnania post hoc vs. skupina „bez ELE“: (*p < 0,05;="" **p="">< 0,01;=""><0.005 vs="" no="" ele)="" and="" within-group="" comparisons="" vs="" olm="" training="" di:="" (#p="" <="" 0.05;="" ##p="" <="" 0.01;="" ###p="" <="" 0.005="" vs="" training="" di).="" n="6–12" mice="" per="" group.="" experimental="" design="" diagram="" generated="" with="" biorender.com="" academic="">
