Undersøkelse av døgnvariasjoner og kjønnsforskjeller i hippocampus nevrofysiologi og romlig hukommelse del 1

Abstrakt

Døgnrytme er biologiske prosesser som går over 24 timer og regulerer mange fasetter av nevrofysiologi, inkludert læring og hukommelse. Cirkadisk variasjon i ytelse av romlig minneoppgave er godt dokumentert; effekten av sex over døgntid (CT) er imidlertid fortsatt uklar.

Nevrofysiologi er studiet av strukturen, funksjonen og patologien til nervesystemet. Minne refererer til et individs evne til å bevare, reprodusere og bruke minneinformasjon. Det er et uatskillelig forhold mellom nevrofysiologi og hukommelse.

I nevrofysiologi er det en struktur som kalles synapse, som er en integrert del av nervesystemet. Synapser er stedet hvor informasjon overføres mellom nevroner, og hukommelsen er basert på synapser. Når et nevron mottar informasjon, kommuniserer det med andre nevroner gjennom synapser og overfører informasjonen. Styrking eller svekkelse av disse kontaktene danner grunnlaget for hukommelsesdannelse og endring.

Minne er bare et resultat av flere utvekslinger og beregninger mellom forskjellige nevroner i den menneskelige hjernen. Antall nevroner i kroppen er fast, det vil si at minnereserven vår er fast. Derfor betyr å forbedre hukommelsen å forbedre styrken på forbindelser mellom nevroner, samt antallet og kvaliteten på forbindelser mellom synapser, som krever ytterligere kunnskap om nevrofysiologi.

Derfor er nevrofysiologisk forskning svært gunstig for å forbedre individuell hukommelse. Å lære om nevrofysiologi kan hjelpe oss å bedre forstå hvordan den menneskelige hjernen fungerer, slik at vi kan forbedre hukommelsen gjennom trening og trening. Noen metoder inkluderer å styrke forbindelsene mellom nevroner ved å lese mer og tenke mer, og å forbedre kvantiteten og kvaliteten på synapser ved å utføre ulike mentale øvelser.

Kort sagt, nevrofysiologisk forskning kan ikke bare hjelpe oss bedre å forstå forholdet mellom den menneskelige hjernen og hukommelsen, men også gi ulike metoder og teknikker for å forbedre individuell hukommelse. Derfor bør vi aktivt lære relevant kunnskap om nevrofysiologi for å skape et bedre miljø for hukommelsen vår. Det kan sees at vi trenger å forbedre hukommelsen vår. Cistanche deserticola kan forbedre hukommelsen betydelig fordi Cistanche deserticola er et tradisjonelt kinesisk medisinsk materiale med mange unike effekter, en av dem er å forbedre hukommelsen. Effekten av kjøttdeig kommer fra de ulike aktive ingrediensene den inneholder, inkludert syre, polysakkarider, flavonoider osv. Disse ingrediensene kan fremme hjernens helse på ulike måter.

Klikk vet 10 måter å forbedre hukommelsen

I tillegg er lite kjent om virkningen av tid på dagen på hippocampus neuronal fysiologi. Her undersøkte vi påvirkningen av både sex og tid på dagen på hippocampus nevrofysiologi og hukommelse hos mus. Ytelsen på OLM-oppgaven var avhengig av både døgntid og kjønn, med hukommelse forbedret om natten hos menn, men på dagtid hos kvinner. Størrelsen på langsiktig synaptisk potensering (LTP) ved CA3-CA1-synapser var større om natten sammenlignet med dag hos begge kjønn.
Deretter målte vi spontan synaptisk eksitasjon og hemming på CA1 pyramidale nevroner. Frekvens og amplitude av hemming var større i løpet av dagen sammenlignet med natten, uavhengig av kjønn. Frekvens og amplitude av eksitasjon var større hos kvinner sammenlignet med menn, uavhengig av tid på dagen, selv om både tid på dagen og kjønn påvirket sannsynligheten for presynaptisk frigjøring.

Om natten viste CA1 pyramidale nevroner forbedret eksitabilitet (aksjonspotensial avfyring og/eller baselinepotensial) som var avhengig av synaptisk eksitasjon og inhibering, uavhengig av kjønn. Denne studien understreker viktigheten av sex og tid på døgnet i hippocampus fysiologi, spesielt gitt at mange nevrologiske lidelser som påvirker hippocampus er knyttet til døgnforstyrrelser og opptrer forskjellig hos menn og kvinner. Kunnskap om hvordan sex og døgnrytmer påvirker hippocampus fysiologi kan forbedre den translasjonelle relevansen av terapeutiske midler og informere om riktig tidspunkt for eksisterende behandlinger.

Nøkkelord:

døgnrytme; hippocampus; hukommelse; plastisitet; rytmer; synaptisk.

Betydningserklæring

Døgnrytmer regulerer mange aspekter av nevrofysiologi, inkludert kognisjon. Imidlertid er virkningen av tid på dagen og sex på hippocampus nevrofysiologi og hippocampusavhengig minne stort sett uutforsket.

Her rapporterer vi at døgnreguleringen av objektplasseringsminne (OLM) er kjønnsavhengig. Videre avslørte undersøkelse av hippocampus fysiologi på tvers av tid på dagen hos begge kjønn: forbedret langsiktig synaptisk potensial om natten, større hemmende synaptisk overføring på dagtid til CA1 pyramidale nevroner, effekter av begge kjønn og tid på dagen på eksitatorisk synaptisk overføring til CA1 pyramidale nevroner, og forbedret natteksitabilitet av CA1 pyramidale nevroner som er avhengig av både synaptisk input og posisjon langs anterior-posterior hippocampus akse. Disse resultatene understreker viktigheten av å ta hensyn til kjønn, regional plassering og tid på dagen i studiet av hippocampus fysiologi.

Introduksjon

Hippocampus er sete for læring og hukommelse i hjernen, og dens primære produksjon genereres av hovedcellene (dvs. pyramidale nevroner) i området CA1. Aksjonspotensialavfyring av et CA1-pyramideformet nevron, som alle andre nevroner, er en kombinert funksjon av eksitatorisk og hemmende synaptisk drivkraft, iboende membranegenskaper som regulerer eksitabilitet og nevromodulatorer (Spruston, 2008).

En relativt uutforsket fasett i hippocampus er hvordan CA1pyramidal nevronfysiologi blir modulert etter tid på dagen. På cellenivå genereres variasjoner på dagen i biologisk funksjon av en transkripsjonell-translasjonell tilbakemeldingssløyfe (Partch et al., 2014). Vevsklokker i hele kroppen er hierarkisk organisert i et system som styrer timingen av 24-timerytmer i fysiologi og atferd, noe som gjør det mulig for organismer å tilpasse seg og forutse regelmessige hendelser i miljøet deres (Pilorz et al., 2020; Buijs et al. al., 2021).

Cirkadisk regulering av fysiologiske prosesser er fordelaktig, og dysregulering av døgnrytmer kan fremme og forverre sykdomsutbrudd og symptomer (Logan og McClung, 2019; Colwell, 2021). Derfor er forståelsen av døgnets innflytelse på fysiologi avgjørende for å utforme intervensjoner for sykdommer med døgnrytmedysfunksjon, for eksempel nevrodegenerative sykdommer (Lee et al., 2021).

Dessuten er mesteparten av grunnleggende kunnskap om grunnleggende prinsipper for hippocampus fysiologi basert på studier utført på nattlige, for det meste mannlige, gnagere i deres inaktive fase (dagtid). Mens det vitenskapelige samfunnet har begynt å ta opp betydningen av sex som en faktor i biomedisinsk forskning, er betydningen av tid på dagen fortsatt relativt undervekst. Det overordnede målet med denne studien var å begynne å avsløre hvordan kjønn og tid på dagen interagerer for å påvirke daglig variasjon i hippocampus fysiologi og funksjon.

Den suprachiasmatiske kjernen (SCN) til hypothalamus er den viktigste orkestratoren for det endogene døgnkontinuerlige nettverket, og de elektriske egenskapene til SCN-neuroner varierer over tid på dagen.

Cirkadisk regulering av nevronal eksitabilitet er utbredt i pattedyrhjernen (Paul et al., 2020) og har blitt observert i en rekke arter, inkludert gnagere (Snider et al., 2018), Drosophila (Cao og Nitabach, 2008; Sheeba, 2008), andsebrafisk (Elbaz et al., 2013). Selv om SCN er den viktigste klokken, eksisterer autonome døgnklokker i andre hjerneregioner, inkludert hippocampus (Paul et al., 2020; Hartsock og Spencer, 2020). På molekylært nivå uttrykker subregioner av hippocampus rytmisk kjerneklokkeproteiner, med cellekroppslaget i området CA1 som har det sterkeste uttrykket av PER2 (Jilg et al., 2010). Videre viser over 600 gener, inkludert de som koder for ionekanaler og synaptiske proteiner, døgnuttrykk i hippocampus (Zhang et al., 2014; Renaud et al., 2015).

På cellenivå uttrykkes langsiktig potensering (LTP), en form for plastisitet der spesifikke mønstre av synaptisk stimulering resulterer i varig økning i styrken av synaptisk overføring, i større omfang om natten sammenlignet med dagen i nattlige mus (Chaudhury et al., 2005; Besing et al., 2017; Davis et al., 2020). Kognitiv funksjon er også regulert av døgnsystemet (Wright et al., 2012) og døgnregulering av ytelse på hippocampus-avhengige minneanalyser har blitt demonstrert på tvers av flere arter (Snider et al., 2018).

Imidlertid er vår forståelse av hvordan sex påvirker døgnregulering av kognisjon begrenset. Videre mangler bevis på cellenivå, inkludert en detaljert forståelse av hvordan tid på dagen og kjønn regulerer synaptisk drift på og membranegenskaper til CA1-pyramideceller. Her søkte vi å bestemme hvordan kjønn og tid på dagen modulerer hippocampus-kretsen: fra atferdsnivået ned til individuell nevronfysiologi.

Vi fant at døgnregulering av hippocampus-avhengig hukommelse er avhengig av sex, mens dag-natt-forskjeller i hippocampus LTP ikke er det. Vi fant også at synaptisk overføring og nevronal eksitabilitet varierer som en funksjon av tiden på dagen og avdekket at noen av disse endringene er avhengig av sex.

Materialer og metoder

Dyr

Alle dyreprosedyrer fulgte Guide for Care andUse of Laboratory Animals, United States Public HealthService, og ble godkjent av University of Alabama at Birmingham Institutional Animal Care and Use Committee. Alle eksperimenter brukt 6- til 12-ukegamle C57BL/6J-mus av begge kjønn hentet fra Jackson Laboratories (http://jaxmice.jax.org/strain/013636.html) eller C57BL/6J-kolonien på University of Alabama i Birmingham.

Mus ble opprettholdt i en 12/12 timers lys/mørke syklus med ad libitum tilgang til mat (LabDiet Rodent 5001 av Purina) og vann. Mus ble gruppert i bur av samme kjønn med fire mus for atferdseksperimenter. For alle andre eksperimenter ble musene holdt bur av samme kjønn med to til syv mus per bur.

Objektplasseringsminne (OLM)

Oppgaven med objektplasseringsminne (OLM) (Snider et al., 2016) ble utført under 10 lux svakt rødt lys. Fire kohorter med mus ble brukt, hvor hver kohort bestod av åtte hanner og åtte hunner. Innenfor hver kohort ble mus tildelt til å gjennomgå tilvenning, trening og testing enten på dagtid eller om natten. I kohorter 1 og 3 ble hannene testet på dagtid, og hunnene ble testet om natten. I kohorter 2 og 4 ble kvinner testet på dagtid og hanner ble testet om natten.

Mus ble ført med i en 12/12 timers lys/mørke (LD) syklus, og deretter vant til arenaen i 2 dager på enten Zeitgeber-tid (ZT) fire eller ZT 16 (hvor ZT 12 refererer til lys av), for dag og natt, henholdsvis (dag 1–2; Fig.1A, B). Etter dag 2 ble mus sluppet ut i konstant mørke (DD) og igjen vant til arenaen ved projisert døgntid (CT) 4 eller 16 (dager 3–4, hvor CT 12 refererer til den projiserte tiden for lys slukket fra forrige LD-syklus; Fig. 1A, B). Mus fikk akklimatisere seg til atferdsrommet i 20 minutter hver dag rett før tilvenning eller trening/test.

Tilvenning besto av 5 min håndtering etterfulgt av 5 min arenautforskning med visuelle signaler. Visuelle signaler besto av vertikale striper på den ene veggen og en stor rød X på en annen vegg. Arenaene var 35,5 25,4 cm med 20,3 cm høye vegger. OLM-trening og testing skjedde i DD, 24 timer etter den siste tilvenningsdagen ved anslått CT fire eller CT 16. Objekter ble laget med PRETEX Building Blocks (varenr. 8030-100) og hadde tre mulige posisjoner i arenaen, alle minst 8,9 cm unna veggene.

Under trening fikk hver mus utforske anarenaen med to gjenstander i 5 min. Etterpå ble musen returnert til hjemmeburet i 30 minutter, hvor en av gjenstandene fra den opprinnelige utforskningen ble flyttet til en ny posisjon (den nye plasseringen) mens den forble i sin opprinnelige posisjon (den kjente plasseringen; Fig. 1C). En 30-min tilbakekallingsperiode ble valgt basert på tidligere publiserte metoder (Snider et al., 2016) og for å unngå minneforstyrrelser på grunn av søvnmangel eller hukommelsesforbedring fra en nattsøvnperiode.

I testfasen ble hver mus plassert tilbake i arenaen med de nye og kjente plasseringsobjektene og tillatt å utforske i 5 minutter. All tilvenning, trening og testing ble registrert ved 30 FPS (ELP-kameramodell:ELP-USBFHD05MT-KL36IR). Utforskning ble sporet ved hjelp av en datamodell laget via DeepLabCut. Objektinteraksjon ble deretter analysert ved å bruke tilpassede MATLAB(MathWorks)-skript utviklet av Mary Phillips (https://github.com/PhillipsML/DLC-NovelObject#dlc-novel object). For dataanalyse ble flere eksklusjonskriterier brukt: mus som utstilte en klar sidepreferanse, mus som brukte mesteparten av tiden sin på å utforske objekter for å prøve å unnslippe arenaen, og mus med høy preferanse for ett objekt fremfor det andre under trening ble ekskludert. Diskrimineringsindeksen ble beregnet som: (tid brukt på å utforske ny objektplassering tid brukt på å utforske kjent objektplassering)/(tid brukt på å utforske ny objektplassering 1 gang brukt på å utforske kjent objektplassering).

Elektrofysiologi

Forberedelse av skiver

Mus ble drept med cervikal dislokasjon og rask halshugging ved ZT {{0}}–1 eller ZT 11–12 for henholdsvis dag- og natteksperimenter. Både sex og tid på døgnet var interleaved. For ekstracellulære felteksperimenter ble hjernen fjernet og 350-mm koronale skiver ble preparert ved bruk av et VT1200 S vibratom (Leica Biosystems) i en iskald løsning som inneholdt følgende (i mM): 85 NaCl, 2,5 KCl, 4 MgSO4 *7H2O , 0,5 CaCl2 * 2H2O, 1,25 NaH2PO4, 75 Sukrose, 25 NaHC03, 25 Glukose mettet i 95% O2 og 5% CO2. Skivene fikk hvile i minst 1 time i en gjenvinningsløsning av standard kunstig CSF (ACSF) inneholdende følgende (i mM): 119 NaCl, 2,5 KCl, 1,3 MgSO4 * 7H2O, 2,5 CaCl2 * 2H2O, 1 NaH2PO4, 26 NaHCO3, og 11 glukose, boblet med 95 % O2/5 % CO2.

For helcelle patch-clamp-eksperimenter ble hjerner fjernet og 300-mm tykke koronale skiver ble preparert ved bruk av et VT1200 S vibratome (LeicaBiosystems) i en iskald løsning som inneholdt følgende (i mM) : 110 kolinklorid, 25 glukose, 7 MgCl2, 2,5 KCl, 1,25 Na2PO4, 0,5 CaCl2, 1,3 Na-askorbat, 3 Na-pyruvat og 25 NaHC03, boblet med 95 % O2/5 % CO2.
Skivene fikk hvile i minst 1 time ved romtemperatur i en oppsamlingsløsning som inneholdt følgende (i mM): 125 NaCl, 2,5 KCl, 1,25 Na2PO4, 2 CaCl2, 1 MgCl2, 25 NaHCO3 og 25 glukose, boblet med 95 % O2/ 5 % CO2. For eksperimenter som målte hemmende synaptiske hendelser, ble 2 mM kynurenicacid tilsatt til utvinningsløsningen.

Feltopptak

Data ble hentet fra ZT 1–6 eller ZT 12–18 for henholdsvis dag- og nattopptak. Koronale hippocampale skiver ble plassert i et nedsenkningskammer og kontinuerlig perfusert med standard ACSF ved 3–5 ml/min og 26–28 grader. Schaffer kollaterale aksoner ble stimulert ved hjelp av en bipolarstimulerende elektrode plassert i stratum radiatum av areaCA3. Felt-EPSP-er (fEPSP-er) ble oppnådd med en opptakselektrode plassert i stratum radiatum av området CA1, innenfor 200–300 mm fra den stimulerende elektroden.

Den innledende helningen til fEPSP-ene (fEPSP-helling) ble målt ved det lineære området umiddelbart etter fibersalven og før fEPSP-toppen. Data ble innhentet og analysert ved bruk av pCLAMP10/11 (Molecular Devices). Data ble registrert ved hjelp av en Kerr Scientific S2-forsterker (Kerr Tissue RecordingSystem, Kerr Scientific Instruments). Signalene ble digitalisert ved 10 kHz (Digidata 1550B).

Input-output (I/O) kurver ble generert ved å måle helningen til fEPSPs fra CA1 stratum radiatum som respons på en serie med økende stimuleringsintensiteter (0.2–200 mA , D 10 mA) ved Schaffer Collaterals. Baseline fEPSP-er ble oppnådd ved å levere en 0.1-Hz-stimulering for å fremkalle fEPSP-er på omtrent 0,20 mV/m i 20 minutter.

Eksperimenter med langsiktig potensering (LTP) ble utført ved å oppnå og opprettholde en stabil baselinefEPSP-respons i 20 minutter, og deretter ble LTP indusert ved å levere en høyfrekvent stimulering (HFS; 100 Hz; 0,5 sdurasjon; levert 2 med 15-s intervall). Denne svakere stimuleringsprotokollen ble valgt for å unngå å maskere en dag/natt-forskjell i LTP-størrelse (Besing et al., 2017; Davis et al., 2020). Etter HFS ble fEPSP-hellinger registrert i 40 minutter.

For more information:1950477648nn@gmail.com