Dočasná vytrvalosť prínosov vyvolaných cvičením na pamäť závislú od hipokampu a synaptickú plasticitu u samičiek myší, časť 1

Abstraktné

Cvičenie uľahčuje hipokampálnu neurogenézu a neuroplasticitu, čo zase podporuje kognitívne funkcie. Naše predchádzajúce štúdie preukázali, že u samcov myší dobrovoľné cvičenie umožňuje učenie závislé od shippocampu v podmienkach, ktoré sú normálne podprahové pre tvorbu dlhodobej pamäte u zvierat so sedavým zamestnaním. Takéto kognitívne zlepšenie sa môže udržiavať dlho po ukončení cvičenia a môže sa znova zapojiť následnou reláciou podprahového cvičenia, čo naznačuje, že prínosy vyvolané cvičením sú dočasne dynamické.

Neuroplasticita sa vzťahuje na schopnosť neurónov neustále sa prispôsobovať vonkajším stimulom a vnútorným aktivitám. Táto schopnosť hrá kľúčovú úlohu pri tvorbe a ukladaní pamäte. To znamená, že neuroplasticita úzko súvisí s pamäťou.

Neuroplasticita sa vyskytuje prostredníctvom synaptických spojení medzi neurónmi. Keď dostaneme novú vec, spojenia medzi neurónmi v mozgu sa zmenia a vytvoria sa nové synaptické spojenia. Tento proces si vyžaduje opakované cvičenie a opakovanie, aby sa vytvorili dlhodobé a stabilné synaptické spojenia. Iba toto dlhodobé synaptické spojenie môže ovplyvniť pamäť a uložiť ju.

Neuroplasticita sa tiež mení s vekom a skúsenosťami. Neuroplasticita je veľmi silná, keď sme mladí, a mozog dokáže veľmi rýchlo vytvárať nové synaptické spojenia, keď sa učíme nové veci. Ale ako starneme, neuroplasticita klesá, čo znamená, že je ťažšie sa učiť nové informácie. Ak si však zachováme pozitívny prístup a ochotu a zvyk proaktívne sa učiť nové veci, stále si môžeme zachovať určitú úroveň neuroplasticity. To znamená, že sa môžeme naďalej učiť a rásť, zlepšovať našu pamäť a inteligenciu.

Aby sme to zhrnuli, neuroplasticita a pamäť spolu úzko súvisia. Udržanie pozitívneho postoja a návyku aktívne sa učiť nové poznatky nám môže pomôcť udržať si dobrú neuroplasticitu, a tým dosiahnuť lepšiu pamäť a inteligenciu. Neustále študujme, udržujme si pozitívny prístup a neustále zdokonaľme svoje schopnosti a vlastnosti. 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

U žien je ešte potrebné definovať rozsah, v akom možno zachovať výhody cvičenia a mechanizmy, ktoré sú základom tohto udržiavania. Tu sme skúmali parametre cvičenia potrebné na začatie a udržanie výhod cvičenia u samíc myší C57BL / 6J. Použitím podprahovej verzie úlohy závislej od hipokampu nazývanej úloha pamäte s umiestnením objektov (OLM) ukazujeme, že 14d dobrovoľného cvičenia umožňuje u samíc myší učenie sa v podmienkach podprahového získavania. Po úvodnom cvičení má 7-dňové oneskorenie v sede za následok zníženú výkonnosť, čo môže byť znovu uľahčené, keď zvieratá dostávajú 2 d reaktivačného cvičenia po odložení sedu.

Hodnotenie estrálneho cyklu odhaľuje zvýšenú aktivitu kolesa počas estruálnej fázy v porovnaní s fázou estru, zatiaľ čo estrálna fáza na tréningu alebo teste neovplyvnila výkon OLM. Použitím rovnakých parametrov cvičenia demonštrujeme, že 14 dní cvičenia zvyšuje dlhodobú potenciáciu ( LTP) v oblasti CA1 hipokampu, čo je účinok, ktorý pretrváva počas tohto dentálneho oneskorenia a po reaktivácii cvičenia. Predchádzajúce štúdie navrhli upreguláciu BDNF vyvolanú cvičením ako mechanizmus, ktorý je základom prínosov sprostredkovaných cvičením pre synaptickú plasticitu a poznanie.

Naše hodnotenie hipokampálnej Bdnf mRNA expresie po získaní pamäte však neodhaľuje žiadny rozdiel medzi podmienkami cvičenia a kontrolou, čo naznačuje, že pretrvávajúca zvýšená regulácia Bdnf nemusí byť potrebná na udržanie výhod vyvolaných cvičením. Naše údaje spolu naznačujú, že 14d dobrovoľného cvičenia môže iniciovať dlhotrvajúce prínosy pre neuroplasticitu a kognitívne funkcie u samíc myší, čo predstavuje prvý dôkaz o dočasnej vytrvalosti prínosov vyvolaných cvičením u samíc.

Kľúčové slová

Cvičenie; učenie sa; Ahojppocampus; Synaptická plasticita; BDNF; Estrálny cyklus.

1. Úvod

Účinky fyzického cvičenia na podporu a udržanie zdravia mozgu sú dobre zdokumentované. V mozgu je hipokampus kritický pre učenie a formovanie pamäte, pretože narušenie tejto mozgovej štruktúry vedie k poruchám pamäti (Packard & McGaugh, 1996; Riedel a kol., 1999; Scoville & Milner, 1957). Preto sa aberantné morfologické a funkčné zmeny v hipokampe pripisujú kognitívnym poruchám spojeným so starnutím a chorobnými stavmi (Bettio et al., 2017).

Štúdie na ľuďoch (ten Brinkeet al., 2015; Erickson et al., 2011; Pajonk et al., 2010; Teixeira et al., 2018) aj na zvieracích modeloch (Cooper et al., 2018; Neeper et al., 1996; O'Callaghan a kol., 2007; Van Praag, 2008) preukázali účinky cvičenia na podporu štrukturálnej a funkčnej integrity hipokampu, čo naznačuje, že fyzické cvičenie je účinnou nefarmakologickou intervenciou pri kognitívnych poruchách za fyziologických aj patologických stavov (Intlekofer & Cotman, 2013; Lauretta a kol., 2021; Liu a kol., 2011; Muscari a kol., 2010).

Napriek rozsiahlemu výskumu o prospešných účinkoch cvičenia a vzťahu medzi hippocampusom a kognitívnou funkciou je málo známe o časovej dynamike cvičení vyvolaných výhod. To znamená, aké je trvanie cvičenia potrebné na zvýšenie funkcie hipokampu a ako dlho tieto výhody pretrvávajú po ukončení cvičenia?

Ešte menej štúdií sa pokúšalo preskúmať molekulárne mechanizmy, ktoré sú základom udržiavania výhod vyvolaných cvičením. Vzhľadom na to, že cvičebné režimy u ľudí sú menej prísne a konzistentné ako tie, ktoré sa používajú v štúdiách na zvieratách (Lee & Skerrett, 2001), je dôležité vyvinúť cvičebné protokoly, ktoré sú flexibilné a nevyžadujú každodennú cvičebnú rutinu, ale stále dokážu zapájať a udržiavať kognitívne funkcie vyvolané cvičením. výhod. V štúdiách na zvieratách je ťažké identifikovať minimálne trvanie cvičenia potrebné na začatie a udržanie výhod cvičenia kvôli značnej variabilite v protokoloch cvičenia používaných v štúdiách (Loprinzi a kol., 2019). Preto zostáva dôležité preskúmať prah cvičenia, ktorý vyvoláva a udržiava kognitívne výhody a základné mechanizmy.

Cvičenie uľahčuje neuroplasticitu, neurogenézu a následne učenie a pamäť prostredníctvom mechanizmov, ktoré indukujú neurotrofické pôsobenie neurotrofického faktora odvodeného od mozgu (BDNF) v hipokampe (Alomari a kol., 2013; Cotman a kol., 2007; Cotman & Berchtold, Ding 2000 a kol., 2011; Triviño-Paredes a kol., 2016; Van Praag, Christie, a kol., 1999; Van Praag, Kempermann a kol., 1999). U samíc aj samcov hlodavcov cvičenie zlepšuje behaviorálny výkon v širokej škále pamäťových úloh, vrátane ťažko priestorovo orientovaných úloh založených na hipokampe: Morrisovo vodné bludisko (MWM), pamäť na umiestnenie objektov (OLM) a radiálne ramenné bludisko. Pamäťové úlohy založené na hippocampe, ako je kontextové podmieňovanie strachu, pasívne vyhýbanie sa a rozpoznávanie nových objektov (Intlekofer a kol., 2013; Lambert a kol., 2005; O'Callaghan a kol., 2007; Van Praag, Christie a kol., 1999; Van Praag, Kempermann a kol., 1999; Vivar, Potter a Van Praag, 2012).

Samce hlodavcov, naše štúdie a iní zistili, že na zlepšenie učenia a pamäte je potrebná minimálna dĺžka cvičenia 2 týždne, ktorú možno udržať počas obdobia nečinnosti a znovu zapojiť opätovným zavedením krátkeho, podprahového 2d cvičenia (Berchtold et al., 2010; Butler a kol., 2019; Intlekofer a kol., 2013). Na molekulárnej úrovni 2 týždne cvičenia indukujú upreguláciu hipokampálneho mozgového neurotrofického faktora u samcov potkanov (Berchtold et al., 2005).

Po poklese zvýšených hladín BDNF na východiskové hodnoty môže následné opätovné zavedenie krátkeho podprahového 2d cvičenia znovu uľahčiť zvýšené hladiny hipokampálneho BDNF (Berchtold et al., 2005). To naznačuje, že upregulácia BDNF sprostredkovaná cvičením je potenciálnym mechanizmom, ktorý spúšťa dlhotrvajúce neuronálne zmeny, aby umožnil stimul s nižšou frekvenciou cvičenia využiť tieto adaptácie a uľahčiť kognitívne výhody.

Signalizácia BDNF podporuje mechanizmy závislé od syntézy proteínov na vyvolanie dlhodobej potenciácie hipokampu (LTP), čo je bunkový korelát učenia a pamäte (Panja & Bramham, 2014; Silva, 2003). Preto sa navrhuje, aby zlepšenie hipokampálneho LTP po cvičení bolo základom učenia sa facilitovaného cvičením (L. Bettio et al., 2019; Liuet al., 2011). Pokiaľ je nám známe, žiadna štúdia doteraz neskúmala, či zvýšenie LTP pretrváva po ukončení cvičenia u oboch pohlaví. Niekoľko štúdií preukázalo, že cvičenie účinne zvyšuje LTP v gyrus dentatus (Farmer a kol., 2004; Van Praag, Christie a kol., 1999; Vasuta a kol., 2007), avšak existuje prekvapivý nedostatok výskumu, ktorý by skúmal, ako cvičenie moduluje synaptickú plasticitu v podoblasti CA1 (Cotman et al., 2007), ktorá slúži ako najviac študovaná oblasť v hipokampe v kontexte priestorovej pamäte (Patten et al., 2015). Vzťah medzi cvičením a plasticitou CA1 je teda potrebné preskúmať.

Niekoľko štúdií podporilo hypotézu, že prínosy vyvolané cvičením sú časovo dynamické (Berchtold a kol., 2005, 2010; Butler a kol., 2019; YP Kim a kol., 2003). Pokiaľ ide o samice, naše chápanie tohto procesu je menej výrazné, pretože väčšina práce bola primárne vykonaná na samcoch. Štúdie učenia a pamäte poskytli dôkaz, že podobné výsledky správania medzi pohlaviami môžu zahŕňať rôzne neuralmechanizmy (Becker & Koob, 2016; Keizer & Wood, 2019; Sase a kol., 2019). Napriek údajom, ktoré naznačujú, že cvičenie zlepšuje neuroplasticitu a kogníciu u oboch pohlaví, existujú jasné dôkazy o pohlavne špecifických účinkoch cvičenia a základných mechanizmoch.

U ľudí cvičenie zlepšuje pamäť na umiestnenie objektov u mužov a nie u žien (Colemanet al., 2018). U hlodavcov cvičenie selektívne zlepšuje výkon jedného pohlavia v určitých pamäťových úlohách (Barha et al., 2017). Na molekulárnej úrovni je distribúcia BDNF medzi viacerými mozgovými štruktúrami a subregiónmi hipokampu medzi pohlaviami odlišná (Bakos a kol., 2009; Franklin & Perrot-Sinal, 2006). Hromadné dôkazy tiež poukázali na rozdiely medzi pohlaviami vo funkciách a mechanizmoch BDNF (Chan & Ye, 2017). Napríklad reprodukčný hormón, estrogén, môže regulovať expresiu BDNF prostredníctvom rôznych mechanizmov, z ktorých jeden zahŕňa epigenetické modifikácie promótora BDNF (Fortress et al., 2014; Moreno-Piovano a kol., 2014; Chan & Ye, 2017).

Hladiny hipokampálneho BDNF proteínu sa menia v priebehu estrálneho cyklu s najvyššou expresiou pozorovanou počas estru a proestru, čo naznačuje, že kolísanie hladín estrogénu v priebehu estrusu u žien rozdielne ovplyvňuje expresiu BDNF (Scharfman et al., 2003). Okrem toho môže estrálny cyklus tiež modulovať ciele v smere signálnych dráh BDNF v hipokampe (Spencer a kol., 2008; Spencer-Segal a kol., 2011). Expresia niekoľkých génov zapojených do hipokampálnej funkcie tiež prechádza dynamickými zmenami počas estrálneho cyklu (Iqbal et al., 2020). Súhrnne tieto údaje zdôrazňujú potrebu skúmať prínosy vyvolané cvičením oddelene u žien a mužov.

Keďže naša predchádzajúca štúdia stanovila prah cvičenia, ktorý zapája a udržiava kognitívne funkcie vylepšené cvičením u samcov myší (Butler a kol., 2019), použili sme rovnakú paradigmu cvičenia na preskúmanie časovej dynamiky prínosov vyvolaných cvičením u samíc myší. V tejto štúdii demonštrujeme, že u samíc myší 14d dobrovoľného cvičenia umožňuje tvorbu dlhodobej pamäte v podmienkach podprahového získavania úlohy pamäte s umiestnením objektov (OLM). Podobne ako u mužov (Butler et al., 2019) sa prínosy vyvolané počiatočným cvičením udržiavajú prostredníctvom 7-dňového oneskorenia v sede a môžu byť opätovne zapojené krátkym 2-dňovým obdobím reaktivácie cvičenia, aby sa umožnila dlhodobá formácia pamäte v podmienkach podprahového získavania.

Výkon OLM nebol ovplyvnený fázami estrálneho cyklu v čase tréningu alebo testu. Počas fázy estru sa však posilnila aktivita dobrovoľného behu na kolese. Okrem toho demonštrujeme, že cvičenie zvyšuje LTP v oblasti CA1 hipokampu u žien a tento efekt pretrváva aj po období sedavého oneskorenia, čo predstavuje prvý dôkaz o dočasnej vytrvalosti neuroplasticity vyvolanej cvičením u žien. Na naše prekvapenie hodnotenie expresie hippocampu Bdnf po získaní pamäte neprinieslo žiadny rozdiel medzi experimentálnymi skupinami, čo naznačuje, že na udržanie kognitívnych výhod vyvolaných cvičením nemusí byť potrebná pretrvávajúca regulácia BDNF.

2. Materiály a metódy

2.1. Zvieratá

Samice, 8-týždenné myši C57BL/6J (Jackson Laboratory) boli individuálne umiestnené v rozumných podmienkach (20 stupňov ± 1 stupeň; 70 % ± 10 % vlhkosť; cyklus svetla a tmy 12 h: 12 h) a poskytovali reklamy libitný prístup k potrave a vode. Všetky experimenty sa uskutočnili počas svetelnej fázy. Všetky experimenty boli uskutočnené usmerneniami Národného inštitútu zdravia pre starostlivosť o zvieratá a ich používanie a boli schválené Inštitucionálnym výborom pre starostlivosť o zvieratá a používanie na Kalifornskej univerzite v Irvine.

2.2. Cvičebná liečba

Myši boli rozdelené do skupín ({{0}}–0–0: n=8, 14–0–0: n=7, 14–7–0: n=8, 14–7–2; n=8) a jednotlivo umiestnené buď v klietkach na cvičenie (vybavených kolesom) alebo v sedavých klietkach (štandardná klietka ). Cvičebné klietky sú vyrobené z polykarbonátu 9,3 palcov × 13,9 palcov × 7,7 palcov (dĺžka × šírka × výška) a vybavené bežeckým kolieskom s obvodom 40 cm, priemerom 12,7 cm (Lafayette Instruments).

Dobrovoľný chod kolesa bol monitorovaný pomocou {{0}},110senzora/počítadla zapojeného do centrálneho rozhrania pripojeného k vyhradenému počítaču so softvérom ScurryActivity Monitoring Software (Lafayette Instruments). Parametre cvičenia pozostávajú z počiatočného obdobia cvičenia (0 alebo 14 d), po ktorom nasleduje sedenie (0 alebo 7 d), počas ktorého bolo odstránené bežecké koleso. Po tomto období nečinnosti bolo niektorým myšiam pridelené reaktivačné cvičenie, ktoré pozostávalo z 2D prístupu k bežiacim kolesám (pozri obr. 1).

2.3. Identifikácia štádia estrálneho cyklu myši

Fázy estrálneho cyklu sa sledovali a monitorovali približne v rovnakom čase (~10 hodín ráno) denne, počnúc prvým dňom chodu kolesa. Vizuálne hodnotenie aj vaginálny výter sa uskutočňovali raz denne, ako opísali McLean et al. (2012) a Ajayi a Akhigbe (2020). Pomocou pipety sa vlhké vaginálne škvrny odobrali do 5 ul fyziologického roztoku.

Aby sa predišlo účinkom pseudogravidity (Adler & Zoloth, 1970), špička pipety bola opatrne umiestnená tak, aby neprenikla do vaginálneho otvoru. Odberová tekutina sa umiestnila na sklíčko a vysušila sa na vzduchu pri teplote miestnosti. Keď bol náter úplne suchý, sklíčka boli zafarbené 0,1% farbivom kryštálovej violeti (McLean et al., 2012). V súlade s tým sa uskutočnilo cytologické hodnotenie na identifikáciu fáz estrálneho cyklu (pozri obr. 2E).

2.4. Úloha podprahovej pamäte umiestnenia objektov (OLM).

2.4.1. Prístroj – podprahová, 3-úloha minútovej pamäte objektu (OLM) bola vykonaná pomocou sady 4 rovnakých komôr. Každá komora bola vyrobená z bieleho plastu s rozmermi 333 mm × 320 mm × 310 mm (dĺžka × šírka × výška) a obsahovala ~ 1 cm hlboké Sani-Chips (PJ Murphy Forest Products). Na jednu stranu každej komory bol prilepený vertikálny matný čierny pásik, ktorý slúžil ako priestorová navigačná značka. Každý kontext bol osvetlený tlmeným žltým svetlom (~15 lx). Prieskumné správanie bolo zaznamenané a hodnotené offline pomocou softvéru na sledovanie ANY-bludisko (Stoelting Co.).

2.4.2. Experimentálny dizajn - Tréning, testovanie a analýza OLM sa uskutočnili tak, ako to opísali Vogel-Ciernia et al. (2015) s trvaním akvizície upraveným na 3 minúty, o ktorom sme predtým preukázali, že je podprahový pre kódovanie, čo vedie k slabému výkonu v krátkodobej aj dlhodobej pamäti (Butler a kol., 2019; Intlekofer a kol., 2013; Malvaez a kol., 2013; McQuown a kol., 2011). Pred tréningom OLM sa s myšami zaobchádzalo a potom si zvykli na experimentálny kontext. S myšami sa manipulovalo 2 minúty denne počas 4 po sebe nasledujúcich dní, pričom posledné 2 dni manipulácie sa prekrývali s návykom. K návyku došlo počas 6 dní, počas ktorých boli myši vystavené experimentálnemu kontextu počas 5 minút denne. Habituačné relácie sa analyzovali (na určenie prejdenej vzdialenosti a rýchlosti) pomocou softvéru na analýzu správania ANY-bludisko. Znížená aktivita počas dní sa použila ako indikátor úspešného návyku (doplnkový obrázok S1, S2). Bez ohľadu na cvičebný režim boli bežecké kolesá odstránené noc pred tréningom OLM, aby sa eliminovali okamžité účinky behu na chovanie.

Po habituácii myši dostali 3-minútovú akvizičnú reláciu, pri ktorej boli dva identické predmety (100-ml sklenené kadičky naplnené cementom) umiestnené na odlišné miesta (umiestnenie A1, vľavo hore, ión A2, vpravo hore). Predmety boli umiestnené 9 cm od seba, 6 cm od bočných stien a 1 cm od prednej steny. Na posúdenie dlhodobej pamäte sa myši podrobili 5-minútovému testu, 24 hodín po tréningu, počas ktorého bol jeden známy objekt (vyvážený) presunutý na nové miesto (umiestnenie A3, dole uprostred) umiestnené 2, 5 cm od spodnej steny. Preskúmal sa prieskum objektu v novom (miesto A3) vs. známa/pevná poloha (A1).

Prieskum bol hodnotený iba vtedy, keď myš namierila na objekt a priblížila sa na 1 cm, alebo keď sa predmetu dotkol nos. Zaznamenal sa celkový čas prieskumu (t) a preferencia nového objektu sa vyjadrila ako rozlišovací index (DI=( román −známy) / (román + známy) × 100 %). Pre tréningové relácie bol objekt určený na presun počas testovacej relácie použitý ako nový objekt, aby bolo možné priamo porovnávať tréningové a testovacie DI.

Myši, ktoré skúmali<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