Исследование суточных изменений и половых различий в нейрофизиологии гиппокампа и пространственной памяти. Часть 1.

Абстрактный

Циркадные ритмы — это биологические процессы, которые повторяются в течение 24 часов и регулируют многие аспекты нейрофизиологии, включая обучение и память. Циркадные изменения в выполнении задач пространственной памяти хорошо документированы; однако влияние пола на циркадное время (CT) остается неясным.

Нейрофизиология – это изучение структуры, функций и патологии нервной системы. Память относится к способности человека сохранять, воспроизводить и использовать информацию памяти. Между нейрофизиологией и памятью существует неразрывная связь.

В нейрофизиологии существует структура, называемая синапсом, которая является неотъемлемой частью нервной системы. Синапсы — это место передачи информации между нейронами, а память основана на синапсах. Когда нейрон получает информацию, он связывается с другими нейронами через синапсы и передает информацию. Усиление или ослабление этих контактов составляет основу формирования и изменения памяти.

Память — это всего лишь результат множественных обменов и вычислений между разными нейронами человеческого мозга. Количество нейронов в организме фиксировано, то есть фиксирован наш резерв памяти. Следовательно, улучшение памяти означает улучшение силы связей между нейронами, а также количества и качества связей между синапсами, что требует дальнейших знаний нейрофизиологии.

Поэтому нейрофизиологические исследования очень полезны для улучшения индивидуальной памяти. Изучение нейрофизиологии может помочь нам лучше понять, как работает человеческий мозг, что позволит нам улучшить память с помощью упражнений и тренировок. Некоторые методы включают укрепление связей между нейронами за счет большего чтения и большего мышления, а также улучшение количества и качества синапсов за счет выполнения различных умственных упражнений.

Короче говоря, нейрофизиологические исследования могут не только помочь нам лучше понять взаимосвязь между человеческим мозгом и памятью, но также предоставить различные методы и приемы для улучшения индивидуальной памяти. Поэтому нам следует активно изучать соответствующие знания о нейрофизиологии, чтобы создать лучшую среду для нашей памяти. Видно, что нам необходимо улучшить нашу память. Cistanche Deserticola может значительно улучшить память, поскольку Cistanche Deserticola — это традиционное китайское лекарственное средство, обладающее множеством уникальных эффектов, одним из которых является улучшение памяти. Эффективность мясного фарша обусловлена ​​различными содержащимися в нем активными ингредиентами, в том числе кислотами, полисахаридами, флавоноидами и т. д. Эти ингредиенты могут способствовать здоровью мозга различными способами.

Нажмите «Узнай 10 способов улучшить память»

Кроме того, мало что известно о влиянии времени суток на физиологию нейронов гиппокампа. Здесь мы исследовали влияние пола и времени суток на нейрофизиологию и память гиппокампа у мышей. Эффективность выполнения задачи «Запоминание местоположения объекта» (OLM) зависела как от циркадного времени, так и от пола: память улучшалась ночью у мужчин, а днем ​​— у женщин. Величина долговременной синаптической потенциации (LTP) в синапсах CA3-CA1 была выше ночью по сравнению с днем ​​у представителей обоих полов.
Затем мы измерили спонтанное синаптическое возбуждение и торможение пирамидных нейронов CA1. Частота и амплитуда торможения были выше днем ​​по сравнению с ночью независимо от пола. Частота и амплитуда возбуждения были выше у женщин по сравнению с мужчинами независимо от времени суток, хотя и время суток, и пол влияли на вероятность пресинаптического выброса.

Ночью пирамидные нейроны СА1 демонстрировали повышенную возбудимость (запуск потенциала действия и/или базовый потенциал), которая зависела от синаптического возбуждения и торможения, независимо от пола. Это исследование подчеркивает важность пола и времени суток в физиологии гиппокампа, особенно с учетом того, что многие неврологические расстройства, влияющие на гиппокамп, связаны с циркадными нарушениями и по-разному проявляются у мужчин и женщин. Знания о том, как пол и циркадные ритмы влияют на физиологию гиппокампа, могут улучшить трансляционную релевантность терапии и определить подходящее время для существующих методов лечения.

Ключевые слова:

циркадный; гиппокамп; Память; пластичность; ритмы; синаптический.

Заявление о значении

Циркадные ритмы регулируют многие аспекты нейрофизиологии, включая познание. Однако влияние времени суток и пола на нейрофизиологию гиппокампа и гиппокамп-зависимую память остается в значительной степени неизученным.

Здесь мы сообщаем, что циркадная регуляция памяти местоположения объекта (OLM) зависит от пола. Кроме того, изучение физиологии гиппокампа в зависимости от времени суток у обоих полов выявило: усиление долгосрочной синаптической потенциации в ночное время, усиление тормозной синаптической передачи в дневное время на пирамидные нейроны СА1, влияние обоих полов и времени суток на возбуждающую синаптическую передачу на СА1. пирамидных нейронов и повышенную ночную возбудимость пирамидных нейронов CA1, которая зависит как от синаптического входа, так и от положения вдоль передне-задней оси гиппокампа. Эти результаты подчеркивают важность учета пола, регионального местоположения и времени суток при изучении физиологии гиппокампа.

Введение

Гиппокамп является местом обучения и памяти в мозге, и его основная продукция генерируется основными клетками (то есть пирамидными нейронами) в области CA1. Запуск потенциала действия пирамидным нейроном СА1, как и любым другим нейроном, представляет собой комбинированную функцию возбуждающего и тормозного синаптического драйва, внутренних свойств мембраны, регулирующих возбудимость, и нейромодуляторов (Spruston, 2008).

Относительно неизученный аспект гиппокампа — это то, как физиология пирамидных нейронов CA1 модулируется временем суток. На клеточном уровне изменения биологических функций во времени суток генерируются петлей транскрипционно-трансляционной обратной связи (Partch et al., 2014). Тканевые часы по всему телу иерархически организованы в систему, которая определяет время 24-часовых ритмов в физиологии и поведении, позволяя организмам адаптироваться и предвидеть регулярно происходящие события в окружающей среде (Pilorz et al., 2020; Buijs et др., 2021).

Циркадная регуляция физиологических процессов является преимуществом, а нарушение регуляции циркадных ритмов может способствовать и усугублять возникновение и симптомы заболевания (Logan and McClung, 2019; Colwell, 2021). Поэтому понимание циркадного влияния на физиологию имеет решающее значение для разработки мер лечения заболеваний с циркадной дисфункцией, таких как нейродегенеративные заболевания (Lee et al., 2021).

Более того, большая часть фундаментальных знаний, касающихся фундаментальных принципов физиологии гиппокампа, основана на исследованиях, проведенных на ночных, преимущественно самцах, грызунах в их неактивную фазу (дневное время). Хотя научное сообщество начало обращать внимание на важность пола как фактора в биомедицинских исследованиях, важность времени суток все еще относительно недооценивается. Основная цель этого исследования заключалась в том, чтобы начать раскрывать, как взаимодействуют пол и время суток, влияя на ежедневные изменения в физиологии и функции гиппокампа.

Супрахиазматическое ядро ​​(SCN) гипоталамуса является основным организатором эндогенной циркадной сети, а электрические свойства нейронов SCN меняются в зависимости от времени суток.

Циркадная регуляция возбудимости нейронов широко распространена в мозге млекопитающих (Paul et al., 2020) и наблюдается у ряда видов, включая грызунов (Snider et al., 2018), дрозофил (Cao and Nitabach, 2008; Sheeba, 2008), и данио (Эльбаз и др., 2013). Хотя SCN является основными часами, автономные циркадные часы существуют и в других областях мозга, включая гиппокамп (Paul et al., 2020; Hartsock and Spencer, 2020). На молекулярном уровне субрегионы гиппокампа ритмично экспрессируют основные часовые белки, при этом слой тела клетки области CA1 имеет наиболее сильную экспрессию PER2 (Jilg et al., 2010). Более того, более 600 генов, в том числе кодирующих ионные каналы и синаптические белки, проявляют циркадную экспрессию в гиппокампе (Zhang et al., 2014; Renaud et al., 2015).

На клеточном уровне долговременная потенциация (LTP), форма пластичности, при которой определенные паттерны синаптической стимуляции приводят к длительному увеличению силы синаптической передачи, выражена в большей степени ночью по сравнению с днем ​​у ночных мышей (Chaudhury и др., 2005; Бесинг и др., 2017; Дэвис и др., 2020). Когнитивная функция также регулируется циркадной системой (Wright et al., 2012), а циркадная регуляция производительности гиппокамп-зависимых анализов памяти была продемонстрирована у нескольких видов (Snider et al., 2018).

Однако наше понимание того, как секс влияет на циркадную регуляцию когнитивных функций, ограничено. Кроме того, отсутствуют доказательства на клеточном уровне, включая детальное понимание того, как время суток и пол регулируют синаптический импульс и свойства мембран пирамидных клеток CA1. Здесь мы стремились определить, как пол и время суток модулируют работу гиппокампа: от поведенческого уровня до индивидуальной физиологии нейронов.

Мы обнаружили, что циркадная регуляция гиппокамп-зависимой памяти зависит от пола, в то время как дневные и ночные различия в LTP гиппокампа — нет. Мы также обнаружили, что синаптическая передача и возбудимость нейронов изменяются в зависимости от времени суток, и обнаружили, что некоторые из этих изменений зависят от пола.

Материалы и методы

Животные

Все процедуры с животными проводились в соответствии с Руководством по уходу и использованию лабораторных животных Службы общественного здравоохранения США и были одобрены Институциональным комитетом по уходу и использованию животных Университета Алабамы в Бирмингеме. Во всех экспериментах использовались 6- и 12-мыши C57BL/6J обоего пола недельного возраста, полученные от Jackson Laboratories (http://jaxmice.jax.org/strain/013636.html) или колония C57BL/6J в Университет Алабамы в Бирмингеме.

Мышей содержали при 12/12-часовом цикле света/темноты при свободном доступе к пище (LabDiet Rodent 5001 от Purina) и воде. Мышей содержали группами в однополых клетках по четыре мыши для проведения поведенческих экспериментов. Во всех других экспериментах мышей содержали группами в однополых клетках по две-семь мышей в клетке.

Память местоположения объекта (OLM)

Задача запоминания местоположения объекта (OLM) (Snider et al., 2016) проводилась при тусклом красном свете 10 люкс. Использовали четыре группы мышей, каждая из которых состояла из восьми самцов и восьми самок. В каждой группе мышей подвергали привыканию, обучению и тестированию либо в течение дня, либо в течение ночи. В когортах 1 и 3 мужчины тестировались днем, а женщины – ночью. В когортах 2 и 4 женщины тестировались днем, а мужчины - ночью.

Мышей приучали к циклу свет/темнота (LD) 12/12 часов, а затем приучали к арене в течение 2 дней либо по времени Цейтгебера (ZT) четыре, либо по ZT 16 (где ZT 12 означает выключение света), в течение дня и ночи. соответственно (дни 1–2; рис.1А, Б). После 2-го дня мышей выпускали в постоянную темноту (DD) и снова приучали к арене в прогнозируемое циркадное время (CT) 4 или 16 (дни 3–4, где CT 12 относится к прогнозируемому времени выключения света из предыдущего цикла LD; Рис. 1А, Б). Мышам давали возможность акклиматизироваться в комнате для поведения в течение 20 минут каждый день непосредственно перед привыканием или тренировкой/испытанием.

Привыкание состояло из 5-минутного взаимодействия с последующим 5-минутным исследованием арены с наличием визуальных подсказок. Визуальные сигналы состояли из вертикальных полос на одной стене и большого красного креста на другой стене. Арены имели размеры 35,5 см, 25,4 см и высоту стен 20,3 см. Обучение и тестирование OLM проводились в DD, через 24 часа после последнего дня привыкания при прогнозируемом CT 4 или CT 16. Объекты были изготовлены из строительных блоков PRETEX (номер объекта 8030-100) и имели как минимум три возможных положения на арене, все 8,9 см от стен.

Во время обучения каждой мыши давали возможность исследовать арену с двумя объектами в течение 5 мин. После этого мышь возвращали в свою домашнюю клетку на 30 минут, в течение которых один из объектов исходного исследования был перемещен в новое положение (новое местоположение), а другой оставался в исходном положении (знакомое местоположение; рис. 1C). Период запоминания 30- минут был выбран на основе ранее опубликованных методов (Snider et al., 2016) и во избежание помех в памяти из-за лишения сна или улучшения памяти в результате ночного сна.

На этапе тестирования каждую мышь помещали обратно на арену с новыми и знакомыми объектами локации и давали возможность исследовать ее в течение 5 минут. Все привыкание, обучение и тестирование записывались со скоростью 30 кадров в секунду (модель камеры ELP: ELP-USBFHD05MT-KL36IR). Исследование отслеживалось с использованием компьютерной модели, созданной с помощью DeepLabCut. Затем взаимодействие объектов анализировалось с использованием пользовательских сценариев MATLAB (MathWorks), разработанных Мэри Филлипс (https://github.com/PhillipsML/DLC-NovelObject#dlc-novel object). Для анализа данных применялось несколько критериев исключения: мыши, у которых наблюдались с явным предпочтением одной стороны, мыши, которые проводили большую часть своего времени, исследуя объекты, пытаясь уйти с арены, и мыши с высоким предпочтением одного объекта перед другим во время обучения были исключены. Индекс дискриминации рассчитывался как: (время, потраченное на изучение местоположения нового объекта, время, потраченное на изучение местоположения знакомого объекта) / (время, потраченное на изучение местоположения нового объекта, 1 время, потраченное на изучение местоположения знакомого объекта).

Электрофизиология

Подготовка ломтика

Мышей умерщвляли смещением шейных позвонков и быстрой декапитацией при ZT {{0}}–1 или ZT 11–12 для дневных и ночных экспериментов соответственно. И пол, и время суток чередовались. Для внеклеточных полевых экспериментов мозг удаляли и готовили корональные срезы 350- мм с использованием вибратома VT1200 S (Leica Biosystems) в ледяном растворе, содержащем следующее (в мМ): 85 NaCl, 2,5 KCl, 4 MgSO4 *7H2O , 0,5 CaCl2*2H2O, 1,25 NaH2PO4, 75 Сахароза, 25 NaHCO3, 25 Глюкоза, насыщенная 95 % O2 и 5 % CO2. Срезам давали отдохнуть не менее 1 часа в восстановительном растворе стандартного искусственного CSF (ACSF), содержащем следующее (в мМ): 119 NaCl, 2,5 KCl, 1,3 MgSO4 * 7H2O, 2,5 CaCl2 * 2H2O, 1 NaH2PO4, 26 NaHCO3, и 11 глюкоза, барботированная 95% O2/5% CO2.

Для экспериментов с использованием патч-клампа на целых клетках мозг удаляли и готовили корональные срезы толщиной 300- мм с использованием вибратома VT1200 S (LeicaBiosystems) в ледяном растворе, содержащем следующее (в мМ): : 110 хлорид холина, 25 глюкоза, 7 MgCl2, 2,5 KCl, 1,25 Na2PO4, 0,5 CaCl2, 1,3 Na-аскорбат, 3 Na-пируват и 25 NaHCO3, барботированные 95% O2/5% CO2.
Срезам давали постоять не менее 1 часа при комнатной температуре в восстанавливающем растворе, содержащем следующее (в мМ): 125 NaCl, 2,5 KCl, 1,25 Na2PO4, 2 CaCl2, 1 MgCl2, 25 NaHCO3 и 25 глюкозу, барботированную 95% O2/ 5% СО2. Для экспериментов по измерению ингибирующих синаптических событий к восстанавливающему раствору добавляли 2 мМ кинуреновой кислоты.

Полевые записи

Данные были получены с ZT 1–6 или ZT 12–18 для дневной и ночной записи соответственно. Корональные срезы гиппокампа помещали в погружную камеру и непрерывно перфузировали стандартным ACSF со скоростью 3–5 мл/мин и 26–28 градусов. Коллатеральные аксоны Шаффера стимулировали с помощью биполярного стимулирующего электрода, помещенного в лучистый слой области CA3. Полевые ВПСП (пВПСП) получали с помощью записывающего электрода, помещенного в лучистый слой области СА1, на расстоянии 200–300 мм от стимулирующего электрода.

Начальный наклон fEPSP (наклон fEPSP) измерялся в линейной области сразу после залпа волокон и перед пиком fEPSP. Данные собирали и анализировали с использованием pCLAMP10/11 (Molecular Devices). Данные записывали с использованием усилителя Kerr Scientific S2 (Kerr Tissue RecordingSystem, Kerr Scientific Instruments). Сигналы оцифровывались на частоте 10 кГц (Digidata 1550B).

Кривые ввода-вывода (I/O) были построены путем измерения наклона fEPSP от ответа лучистого слоя CA1 на серию возрастающих интенсивностей стимуляции (0.2–200 мА , D 10 мА) в коллатералах Шаффера. Исходные значения fEPSP были получены путем подачи стимуляции частотой 0,1- Гц для выявления fEPSP примерно 0,20 мВ/мс в течение 20 минут.

Эксперименты по долговременной потенциации (ДП) проводились путем получения и поддержания стабильного исходного ответа ВПСП в течение 20 минут, а затем ДП индуцировалась путем проведения высокочастотной стимуляции (ВЧС; 100 Гц; длительность 0,5 секунды; доставлено 2 с интервал 15- с). Этот более слабый протокол стимуляции был выбран, чтобы избежать маскировки дневной и ночной разницы в величине ДП (Besing et al., 2017; Davis et al., 2020). После HFS наклоны fEPSP регистрировались в течение 40 минут.

For more information:1950477648nn@gmail.com