Временная выносливость воздействия физических упражнений на гиппокамп-зависимую память и синаптическую пластичность у самок мышей. Часть 1

Абстрактный

Упражнения способствуют нейрогенезу и нейропластичности гиппокампа, что, в свою очередь, способствует улучшению когнитивных функций. Наши предыдущие исследования показали, что у мышей-самцов произвольные упражнения способствуют обучению, зависящему от шиппокампа, в условиях, которые обычно являются подпороговыми для формирования долгосрочной памяти у малоподвижных животных. Такое улучшение когнитивных функций может сохраняться в течение длительного времени после прекращения упражнений и может быть возобновлено при последующей подпороговой тренировке, что позволяет предположить, что преимущества, вызванные физическими упражнениями, являются динамическими во времени.

Нейропластичность – это способность нейронов постоянно адаптироваться к внешним раздражителям и внутренней деятельности. Эта способность играет решающую роль в формировании и хранении памяти. Тем не менее, нейропластичность тесно связана с памятью.

Нейропластичность происходит через синаптические связи между нейронами. Когда мы получаем новую вещь, связи между нейронами мозга изменятся, образуя новые синаптические связи. Этот процесс требует постоянной практики и повторения для создания долгосрочных и стабильных синаптических связей. Только эта долговременная синаптическая связь может повлиять на память и сохранить ее.

Нейропластичность также меняется с возрастом и опытом. Нейропластичность очень сильна, когда мы молоды, и мозг может очень быстро формировать новые синаптические связи, когда мы изучаем что-то новое. Но с возрастом нейропластичность снижается, а это значит, что усваивать новую информацию становится сложнее. Однако, если мы сохраняем позитивный настрой, а также готовность и привычку активно изучать новые вещи, мы все равно можем поддерживать определенный уровень нейропластичности. Это означает, что мы можем продолжать учиться и расти, улучшая нашу память и интеллект.

Подводя итог, можно сказать, что нейропластичность и память тесно связаны. Сохранение позитивного настроя и привычки активно изучать новые знания могут помочь нам сохранить хорошую нейропластичность, тем самым улучшая память и интеллект. Давайте учиться неустанно, сохранять позитивный настрой и постоянно совершенствовать свои способности и качества. 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»

У женщин степень, в которой можно сохранить пользу от физических упражнений, и механизмы, лежащие в основе этого сохранения, еще предстоит определить. Здесь мы исследовали параметры упражнений, необходимые для инициирования и поддержания положительного эффекта от упражнений у самок мышей C57BL/6J. Используя подпороговую версию задачи, зависящей от гиппокампа, называемую задачей памяти местоположения объекта (OLM), мы показываем, что 14d произвольных упражнений позволяют обучаться в условиях подпорогового приобретения у самок мышей. После первоначального упражнения 7-дневная задержка в сидячем положении приводит к снижению производительности, что может быть восстановлено, когда животные получают 2 дня реактивирующих упражнений после сидячей задержки.

Оценка эстрального цикла показывает повышенную активность бега на колесе во время фазы эструса по сравнению с фазой диэструса, тогда как фаза эструса при тренировке или тесте не влияла на производительность OLM. Используя те же параметры упражнений, мы демонстрируем, что 14-дневные упражнения усиливают долгосрочную потенциацию ( LTP) в области CA1 гиппокампа, эффект, который сохраняется на протяжении всей зубной задержки и после реактивирующей тренировки. Предыдущие исследования предполагали, что усиление BDNF, вызванное физическими упражнениями, является механизмом, лежащим в основе опосредованного физическими упражнениями улучшения синаптической пластичности и когнитивных функций.

Однако наша оценка экспрессии мРНК Bdnf в гиппокампе после восстановления памяти не выявила различий между условиями тренировки и контролем, что позволяет предположить, что постоянная активация Bdnf может не потребоваться для поддержания преимуществ, вызванных физическими упражнениями. В совокупности наши данные показывают, что 14-дневные добровольные упражнения могут инициировать долгосрочное улучшение нейропластичности и когнитивных функций у самок мышей, устанавливая первые доказательства временной выносливости преимуществ, вызванных физическими упражнениями, у самок.

Ключевые слова

Упражнение; Обучение; Приветппокампус; Синаптическая пластичность; БДНФ; Эстральный цикл.

1. Введение

Влияние физических упражнений на поддержку и поддержание здоровья мозга хорошо документировано. В головном мозге гиппокамп имеет решающее значение для обучения и формирования памяти, поскольку нарушение этой структуры мозга приводит к нарушениям памяти (Packard & McGaugh, 1996; Riedel et al., 1999; Scoville & Milner, 1957). Следовательно, аберрантные морфологические и функциональные изменения в гиппокампе объясняются когнитивными нарушениями, связанными со старением и болезненными состояниями (Bettio et al., 2017).

Исследования как на людях (тен Бринкит и др., 2015; Эриксон и др., 2011; Пайонк и др., 2010; Тейшейра и др., 2018), так и на животных моделях (Cooper et al., 2018; Neeper et al., 1996; O'Callaghan et al., 2007; Van Praag, 2008) продемонстрировали влияние физических упражнений на поддержание структурной и функциональной целостности гиппокампа, предполагая, что физические упражнения являются эффективным нефармакологическим вмешательством при когнитивных нарушениях как при физиологических, так и при патологических состояниях (Интлекофер & Cotman, 2013; Lauretta et al., 2021; Liu et al., 2011; Muscari et al., 2010).

Несмотря на обширные исследования о благотворном влиянии физических упражнений и взаимосвязи между гиппокампом и когнитивной функцией, мало что известно о временной динамике преимуществ, вызванных физическими упражнениями. То есть, какова продолжительность упражнений, необходимых для улучшения функции гиппокампа, и как долго эти преимущества сохраняются после прекращения упражнений?

Еще меньше исследований пытались изучить молекулярные механизмы, лежащие в основе сохранения преимуществ, вызванных физическими упражнениями. Учитывая, что режимы упражнений у людей менее жесткие и последовательные, чем те, которые использовались в исследованиях на животных (Lee & Skerrett, 2001), важно разработать протоколы упражнений, которые были бы гибкими и не требовали бы ежедневных упражнений, но при этом могли бы задействовать и поддерживать когнитивные способности, вызванные упражнениями. преимущества. В исследованиях на животных сложно определить минимальную продолжительность упражнений, необходимую для начала и поддержания пользы от упражнений, из-за значительной вариативности протоколов упражнений, используемых в разных исследованиях (Loprinzi et al., 2019). Следовательно, по-прежнему важно изучить порог физической нагрузки, который вызывает и поддерживает когнитивные преимущества, а также лежащие в его основе механизмы.

Упражнения способствуют нейропластичности, нейрогенезу и, следовательно, обучению и памяти посредством механизмов, которые индуцируют нейротрофическое действие нейротрофического фактора головного мозга (BDNF) в гиппокампе (Alomari et al., 2013; Cotman et al., 2007; Cotman & Berchtold, 2002; Ding и др., 2011; Тривиньо-Паредес и др., 2016; Ван Прааг, Кристи и др., 1999; Ван Прааг, Кемперманн и др., 1999). Как у самок, так и у самцов грызунов упражнения улучшают поведенческие характеристики при выполнении широкого спектра задач на память, включая задачи, в значительной степени ориентированные на пространство, основанные на работе гиппокампа: водный лабиринт Морриса (MWM), память о местоположении объектов (OLM) и лабиринт с радиальными рукавами в дополнение к другим задачи памяти, основанные на гиппокампе, такие как контекстуальное обусловливание страха, пассивное избегание и распознавание новых объектов (Intlekofer et al., 2013; Lambert et al., 2005; O'Callaghan et al., 2007; Van Praag, Christie и др., 1999; Ван Прааг, Кемперманн и др., 1999; Вивар, Поттер и Ван Прааг, 2012).

Наши и другие исследования на грызунах-самцах показали, что минимальная продолжительность упражнений в 2 недели необходима для улучшения обучения и памяти, которые можно поддерживать в течение периода бездействия и возобновлять путем повторного введения к кратким подпороговым 2-мерным упражнениям (Berchtold et др., 2010; Батлер и др., 2019; Интлекофер и др., 2013). На молекулярном уровне 2 недели физических упражнений вызывают активацию белка нейротрофического фактора гиппокампа головного мозга у самцов крыс (Berchtold et al., 2005).

После снижения повышенного уровня BDNF до исходного уровня последующее возобновление короткой подпороговой 2-дневной тренировки может вновь способствовать повышению уровня BDNF в гиппокампе (Berchtold et al., 2005). Это предполагает, что опосредованная физическими упражнениями активация BDNF является потенциальным механизмом, который запускает долговременные нейрональные изменения, позволяющие стимулировать более низкую частоту упражнений, чтобы извлечь выгоду из этих адаптаций и облегчить когнитивные преимущества.

Передача сигналов BDNF способствует зависимым от синтеза белка механизмам, вызывающим долговременную потенциацию гиппокампа (LTP), клеточный коррелят обучения и памяти (Panja & Bramham, 2014; Silva, 2003). Таким образом, предполагается, что улучшение LTP гиппокампа после упражнений лежит в основе обучения с помощью упражнений (L. Bettio et al., 2019; Liuet al., 2011). Насколько нам известно, ни одно исследование до сих пор не изучало, сохраняется ли усиление ДП после прекращения физических упражнений у представителей любого пола. Несколько исследований продемонстрировали, что упражнения эффективно усиливают ДП в зубчатой ​​извилине (Farmer et al., 2004; Van Praag, Christie et al., 1999; Vasuta et al., 2007), однако существует удивительный недостаток исследований, изучающих, как упражнения модулирует синаптическую пластичность в подполе CA1 (Cotman et al., 2007), которое служит наиболее изученной областью гиппокампа в контексте пространственной памяти (Patten et al., 2015). Следовательно, взаимосвязь между физическими упражнениями и пластичностью CA1 еще предстоит изучить.

Несколько исследований подтвердили гипотезу о том, что преимущества, вызванные физическими упражнениями, динамичны во времени (Berchtold et al., 2005, 2010; Butler et al., 2019; YP Kim et al., 2003). Что касается самок животных, наше понимание этого процесса менее заметно, поскольку большая часть работы в основном проводилась на самцах. Исследования обучения и памяти предоставили доказательства того, что сходные поведенческие результаты между полами могут включать разные нейронные механизмы (Becker & Koob, 2016; Keizer & Wood, 2019; Sase et al., 2019). Несмотря на данные, указывающие на то, что физические упражнения улучшают нейропластичность и когнитивные способности у обоих полов, существуют четкие доказательства того, что физические упражнения влияют на пол и лежащие в их основе механизмы.

У людей физические упражнения улучшают память о местоположении объектов у мужчин, а не у женщин (Colemanet al., 2018). У грызунов физические упражнения избирательно улучшают производительность представителей одного пола при выполнении определенных задач на память (Barha et al., 2017). На молекулярном уровне распределение BDNFa во многих структурах мозга и субрегионах гиппокампа различается в зависимости от пола (Bakos et al., 2009; Franklin & Perrot-Sinal, 2006). Накопленные данные также подчеркивают половые различия в функциях и механизмах BDNF (Chan & Ye, 2017). Например, репродуктивный гормон эстроген может регулировать экспрессию BDNF посредством различных механизмов, один из которых включает эпигенетические модификации промотора BDNF (Fortress et др., 2014; Морено-Пиовано и др., 2014; Chan & Ye, 2017).

Уровни белка BDNF в гиппокампе варьируются в течение эстрального цикла, причем самая высокая экспрессия наблюдается во время эструса и проэструса, что указывает на то, что колебания уровней эстрогена на протяжении эстрального цикла у женщин по-разному влияют на экспрессию BDNF (Scharfman et al., 2003). Кроме того, эстральный цикл может также модулировать мишени, расположенные ниже сигнальных путей BDNF в гиппокампе (Spencer et al., 2008; Spencer-Segal et al., 2011). Экспрессия нескольких генов, участвующих в функции гиппокампа, также претерпевает динамические изменения на протяжении эстрального цикла (Iqbal et al., 2020). В совокупности эти данные подчеркивают необходимость изучения преимуществ физических упражнений отдельно у женщин и мужчин.

Поскольку в нашем предыдущем исследовании был установлен порог физических упражнений, который задействует и поддерживает когнитивную функцию, усиленную физическими упражнениями, у самцов мышей (Butler et al., 2019), мы использовали ту же парадигму упражнений для изучения временной динамики преимуществ, вызванных физическими упражнениями, у самок мышей. В этом исследовании мы демонстрируем, что у самок мышей 14-дневные произвольные упражнения позволяют формировать долговременную память в условиях подпорогового приобретения задачи памяти о местоположении объекта (OLM). Как и у мужчин (Butler et al., 2019), первоначальные преимущества, вызванные физическими упражнениями, сохраняются в течение 7-дневного периода сидячей задержки и могут быть повторно задействованы в течение короткого 2-дневного периода реактивации упражнений, чтобы обеспечить формирование долговременной памяти в условиях подпорогового приобретения.

На производительность OLM не влияли фазы эстрального цикла во время тренировки или тестирования. Однако во время фазы течки активность произвольного движения на колесах усиливалась. Кроме того, мы продемонстрировали, что физические упражнения усиливают ДП в области СА1 гиппокампа у женщин, и этот эффект сохраняется даже после периода задержки сидячего образа жизни, что является первым доказательством временной устойчивости нейропластичности, вызванной физическими упражнениями, у женщин. К нашему удивлению, оценка экспрессии Bdnf в гиппокампе после восстановления памяти не выявила различий между экспериментальными группами, что позволяет предположить, что постоянная активация BDNF может не потребоваться для поддержания когнитивных преимуществ, вызванных физическими упражнениями.

2. Материалы и методы

2.1. Животные

Самок мышей C57BL/6J в возрасте 8-недельного возраста (Лаборатория Джексона) содержали индивидуально в стандартных условиях (20 градусов ± 1 градус; 70% ± 10% влажность; 12-часовой цикл света и темноты) и им давали рекламу. свободный доступ к пище и воде. Все эксперименты проводились во время световой фазы. Все эксперименты проводились в соответствии с рекомендациями Национального института здравоохранения по уходу за животными и их использованию и были одобрены Институциональным комитетом по уходу и использованию животных Калифорнийского университета в Ирвине.

2.2. Лечебные упражнения

Мыши были разделены на группы ({{0}}–0–0: n=8, 14–0–0: n=7, 14–7–0: n=8, 14–7–2; n=8) и содержатся индивидуально либо в клетках для тренировок (оснащенных беговым колесом), либо в сидячих клетках (стандартная клетка). ). Клетки для тренировок изготовлены из поликарбоната размером 9,3 × 13,9 × 7,7 дюйма (длина × ширина × высота) и оснащены беговым колесом диаметром 40 см и диаметром 12,7 см (Lafayette Instruments).

Произвольное вращение колеса контролировалось с помощью {{0}},110датчика/счетчика, подключенного к центральному интерфейсу, подключенному к выделенному ПК с программным обеспечением для мониторинга ScurryActivity (Lafayette Instruments). Параметры упражнений состоят из начального периода упражнений (0 или 14 дней), за которым следует сидячая задержка (0 или 7 дней), во время которой беговое колесо было снято. После этого периода бездействия некоторым мышам была назначена реактивирующая сессия упражнений, состоящая из 2D-доступа к беговым колесам (см. рис. 1).

2.3. Определение стадии эстрального цикла мыши

Фазы эстрального цикла отслеживались и контролировались примерно в одно и то же время (~10 часов утра) ежедневно, начиная с первого дня использования колеса. Как визуальную оценку, так и вагинальный мазок проводили один раз в день, как описано McLean et al. (2012) и Аджайи и Ахигбе (2020). С помощью пипетки брали влажные пятна из влагалища в 5 мкл физиологического раствора.

Чтобы предотвратить эффекты псевдобеременности (Adler & Zoloth, 1970), кончик пипетки располагали осторожно, чтобы не проникнуть в отверстие влагалища. Собирающую жидкость помещали на предметное стекло и сушили на воздухе при комнатной температуре. Когда мазок полностью высыхал, предметные стекла окрашивали 0,1% раствором кристаллического фиолетового (McLean et al., 2012). Цитологическую оценку проводили соответственно для выявления фаз эстрального цикла (см. рис. 2Е).

2.4. Подпороговая задача памяти местоположения объекта (OLM)

2.4.1. Аппарат. Подпороговая 3-минутная задача по запоминанию местоположения объекта (OLM) проводилась с использованием набора из 4 идентичных камер. Каждая камера была изготовлена ​​из пластика белого цвета и имела размеры 333 × 320 × 310 мм (длина × ширина × высота) и содержала чипсы Sani-Chips глубиной ~ 1 см (PJ Murphy Forest Products). К одной стороне каждой камеры была прикреплена вертикальная матовая полоса черной разметки, которая служила ориентиром для пространственной навигации. Каждый контекст освещался тусклым желтым светом (~15 лк). Исследовательское поведение записывали и оценивали в автономном режиме с использованием программного обеспечения для отслеживания ANY-maze (Stoelting Co.).

2.4.2. План эксперимента - обучение, тестирование и анализ OLM проводились, как описано Vogel-Ciernia et al. (2015) с продолжительностью сбора данных, скорректированной до 3 минут, что, как мы ранее продемонстрировали, является подпороговым для кодирования, что приводит к плохой работе как краткосрочной, так и долговременной памяти (Butler et al., 2019; Intlekofer et al., 2013; Malvaez). и др., 2013; Маккуон и др., 2011). Перед обучением OLM мышей обрабатывали, а затем приучали к экспериментальным условиям. С мышами обращались по 2 минуты в день в течение 4 дней подряд, причем последние 2 дня воздействия совпадали с привыканием. Привыкание происходило в течение 6 дней, в течение которых мышей подвергали воздействию экспериментальной среды в течение 5 минут в день. Сеансы привыкания анализировались (для определения пройденного расстояния и скорости) с использованием программного обеспечения для поведенческого анализа ANY-maze. Снижение активности в течение нескольких дней использовалось как показатель успешного привыкания (дополнительные рисунки S1, S2). Независимо от режима упражнений, беговые колеса снимали вечером перед тренировкой OLM, чтобы исключить непосредственное влияние бега на поведение.

После привыкания мыши получали 3-минутный сеанс сбора данных, во время которого два одинаковых объекта (стеклянные стаканы 100- мл, наполненные цементом) помещались в разные места (местоположение A1, вверху слева, ион A2, вверху справа). Предметы располагались на расстоянии 9 см друг от друга, 6 см от боковых стенок и 1 см от передней стены. Для оценки долговременной памяти мыши прошли 5-минутный тест через 24 часа после тренировки, в ходе которого один знакомый объект (с противовесом) перемещался в новое место (место А3, внизу посередине), расположенное в 2,5 см от нижней стенки. Было исследовано исследование объекта в романе (локация А3) в сравнении со знакомым/фиксированным местоположением (А1).

Исследование оценивалось только тогда, когда головка мыши указывала на объект и приближалась к объекту на расстояние 1 см или когда нос касался объекта. Регистрировалось общее время исследования (t), а предпочтение новому объекту выражалось как индекс дискриминации (DI=( роман − знакомый) / (роман + знакомый) × 100%). Для сеансов обучения объект, предназначенный для перемещения во время сеанса тестирования, использовался в качестве нового объекта, чтобы можно было напрямую сравнивать обучение и тестирование DI.

Мыши, которые исследовали<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