Temporal utholdenhet av treningsinduserte fordeler på Hippocampus-avhengig hukommelse og synaptisk plastisitet hos hunnmus Del 1

Abstrakt

Trening letter hippocampus nevrogenese og nevroplastisitet som igjen fremmer kognitiv funksjon. Våre tidligere studier har vist at hos hannmus muliggjør frivillig trening shippocampus-avhengig læring under forhold som normalt er underterskel for langvarig dannelse hos stillesittende dyr. Slik kognitiv forbedring kan opprettholdes lenge etter at treningen har opphørt og kan settes i gang igjen ved en påfølgende underterskeltreningsøkt, noe som tyder på at treningsinduserte fordeler er tidsmessig dynamiske.

Nevroplastisitet refererer til nevronenes evne til kontinuerlig å tilpasse seg ytre stimuli og indre aktiviteter. Denne evnen spiller en avgjørende rolle i minnedannelse og lagring. Når det er sagt, er nevroplastisitet nært knyttet til hukommelse.

Nevroplastisitet oppstår gjennom synaptiske forbindelser mellom nevroner. Når vi mottar en ny ting, vil forbindelsene mellom nevroner i hjernen endres, og danne nye synaptiske forbindelser. Denne prosessen krever gjentatt øvelse og repetisjon for å produsere langsiktige og stabile synaptiske forbindelser. Bare denne langsiktige synaptiske forbindelsen kan påvirke minnet og lagre det.

Nevroplastisitet endres også med alder og erfaring. Nevroplastisitet er veldig kraftig når vi er unge, og hjernen kan danne nye synaptiske forbindelser veldig raskt når vi lærer nye ting. Men etter hvert som vi blir eldre, avtar nevroplastisiteten, noe som betyr at det blir vanskeligere å lære ny informasjon. Men hvis vi opprettholder en positiv holdning og en vilje og vane til proaktivt å lære nye ting, kan vi fortsatt opprettholde et visst nivå av nevroplastisitet. Dette betyr at vi kan fortsette å lære og vokse, og forbedre hukommelsen og intelligensen vår.

For å oppsummere er nevroplastisitet og hukommelse nært beslektet. Å opprettholde en positiv holdning og en vane med aktivt å lære ny kunnskap kan hjelpe oss å opprettholde god nevroplastisitet, og dermed oppnå bedre hukommelse og intelligens. La oss studere ustanselig, opprettholde en positiv holdning og stadig forbedre våre evner og egenskaper. 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

Hos kvinner er det ennå ikke definert i hvilken grad fordelene med trening kan opprettholdes og mekanismene som ligger til grunn for dette vedlikeholdet. Her undersøkte vi treningsparametrene som kreves for å starte og opprettholde fordelene med trening hos kvinnelige C57BL/6J-mus. Ved å bruke en underterskelversjon av den hippocampus-avhengige oppgaven kalt objektlokaliseringsminne (OLM), viser vi at 14d med frivillig trening muliggjør læring under subterskeloppkjøpsforhold hos hunnmus. Etter den første treningen resulterer en stillesittende forsinkelse på 7 dager i redusert ytelse, som kan forenkles på nytt når dyr får 2 dagers reaktiverende trening etter den stillesittende forsinkelsen.

Vurdering av brunstsyklusen avslører forbedret hjulløpsaktivitet under brunstfasen i forhold til diestrusfasen, mens brunstfasen på trening eller test ikke påvirket OLM-ytelsen. Ved å bruke de samme treningsparametrene viser vi at 14d trening forbedrer langsiktig potensering ( LTP) i CA1-regionen av hippocampus, en effekt som vedvarer gjennom denne tannforsinkelsen og etter den reaktiverende treningsøkten. Tidligere studier har foreslått treningsindusert BDNF-oppregulering som mekanismen som ligger til grunn for treningsmediert fordel for synaptisk plastisitet og kognisjon.

Imidlertid avslører vår vurdering av hippocampus Bdnf mRNA-uttrykk etter minneinnhenting ingen forskjell mellom treningsforhold og kontroll, noe som tyder på at vedvarende Bdnf-oppregulering kanskje ikke er nødvendig for å opprettholde treningsinduserte fordeler. Sammen indikerer dataene våre at 14d med frivillig trening kan initiere langvarige fordeler på nevroplastisitet og kognitiv funksjon hos hunnmus, og etablerer det første beviset på den tidsmessige utholdenheten til treningsinduserte fordeler hos kvinner.

Nøkkelord

Trening; Læring; Heippocampus; Synaptisk plastisitet; BDNF; Østrus syklus.

1. Introduksjon

Effekten av fysisk trening på å støtte og opprettholde hjernens helse er godt dokumentert. I hjernen er hippocampus kritisk for læring og hukommelsesdannelse, da forstyrrelse av denne hjernestrukturen fører til hukommelsessvikt (Packard & McGaugh, 1996; Riedel et al., 1999; Scoville & Milner, 1957). Derfor tilskrives avvikende morfologiske og funksjonelle endringer i hippocampus kognitive svekkelser assosiert med aldring og sykdomstilstander (Bettio et al., 2017).

Studier på både mennesker (ten Brinkeet al., 2015; Erickson et al., 2011; Pajonk et al., 2010; Teixeira et al., 2018) og dyremodeller (Cooper et al., 2018; Neeper et al., 1996; O'Callaghan et al., 2007; Van Praag, 2008) har demonstrert effekten av trening på å støtte strukturell og funksjonell integritet av hippocampus, noe som tyder på at fysisk trening er en effektiv ikke-farmakologisk intervensjon for kognitiv svekkelse i både fysiologiske og patologiske tilstander (Intlekofer & Cotman, 2013; Lauretta et al., 2021; Liu et al., 2011; Muscari et al., 2010).

Til tross for rikelig forskning på de gunstige effektene av trening og forholdet mellom hippocampus og kognitiv funksjon, er lite kjent om den tidsmessige dynamikken til treningsinduserte fordeler. Det vil si, hva er treningsvarigheten som kreves for å øke hippocampus funksjon, og hvor lenge vedvarer disse fordelene etter at treningen opphører?

Enda færre studier har forsøkt å undersøke de molekylære mekanismene som ligger til grunn for opprettholdelsen av treningsinduserte fordeler. Gitt at treningsregimer hos mennesker er mindre stive og konsistente enn de som brukes i dyrestudier (Lee & Skerrett, 2001), er det viktig å utvikle treningsprotokoller som er fleksible og som ikke krever en daglig treningsrutine, men som fortsatt kan engasjere og opprettholde treningsindusert kognitiv. fordeler. I dyrestudier er det vanskelig å identifisere den minimale treningsvarigheten som kreves for å starte og opprettholde fordelene ved trening på grunn av betydelig variasjon i treningsprotokoller brukt på tvers av studier (Loprinzi et al., 2019). Derfor er det fortsatt viktig å undersøke treningsterskelen som induserer og opprettholder kognitive fordeler og de underliggende mekanismene.

Trening letter nevroplastisitet, nevrogenese og deretter lærings- og hukommelsesmekanismer som induserer den nevrotrofiske virkningen av hjerneavledet nevrotrofisk faktor (BDNF) i hippocampus (Alomari et al., 2013; Cotman et al., 2007; Cotman & Berchtold, D 2002; et al., 2011; Triviño-Paredes et al., 2016; Van Praag, Christie, et al., 1999; Van Praag, Kempermann, et al., 1999). Hos både kvinnelige og mannlige gnagere forbedrer trening atferdsytelsen i en lang rekke hukommelsesoppgaver, inkludert de tungt romorienterte, hippocampus-baserte oppgavene: Morris vannlabyrint (MWM), objektplasseringsminne (OLM) og radialarmlabyrint i tillegg til andre hippocampus-baserte minneoppgaver som kontekstuell fryktkondisjonering, passiv unngåelse og gjenkjenning av nye objekter (Intlekofer et al., 2013; Lambert et al., 2005; O'Callaghan et al., 2007; Van Praag, Christie, et al., 1999; Van Praag, Kempermann, et al., 1999; Vivar, Potter, & Van Praag, 2012).

Hannlige gnagere, våre studier og andre har identifisert at en minimal treningsvarighet på 2 uker er nødvendig for fordeler med læring og hukommelse, som kan opprettholdes gjennom en periode med inaktivitet og gjenopptas ved gjeninnføring av en kort 2d-øvelsesøkt med underterskel (Berchtold et al. al., 2010; Butler et al., 2019; Intlekofer et al., 2013). På molekylært nivå induserer 2 ukers trening oppregulering av hippocampus hjerneavledet neurotrofisk faktorprotein hos hannrotter (Berchtold et al., 2005).

Etter nedgangen av forhøyede BDNF-nivåer til baseline, kan en påfølgende re-introduksjon til en kort, underterskel 2d treningsøkt gjenopprette forhøyede nivåer av hippocampus BDNF (Berchtold et al., 2005). Dette antyder treningsmediert BDNF-oppregulering som en potensiell mekanisme som starter langvarige nevronale endringer for å muliggjøre en stimulans med lavere treningsfrekvens for å utnytte disse tilpasningene og lette kognitive fordeler.

BDNF-signalering fremmer proteinsynteseavhengige mekanismer for å indusere hippocampal langsiktig potensering (LTP), en cellulær korrelat av læring og hukommelse (Panja &Bramham, 2014; Silva, 2003). Derfor foreslås forbedring av hippocampus LTP etter trening for å ligge til grunn for treningstilrettelagt læring (L. Bettio et al., 2019; Liuet al., 2011). Så vidt vi vet, har ingen studier så langt undersøkt om en forbedring av LTP vedvarer etter treningsstopp hos begge kjønn. Flere studier har vist trening for å effektivt forbedre LTP i dentate gyrus (Farmer et al., 2004; Van Praag, Christie, et al., 1999; Vasuta et al., 2007), men det er en overraskende mangel på forskning som undersøker hvordan trening modulerer synaptisk plastisitet i CA1-underfeltet (Cotman et al., 2007), som fungerer som det mest studerte området i hippocampus i sammenheng med romlig hukommelse (Patten et al., 2015). Derfor gjenstår forholdet mellom trening og CA1-plastisitet å bli utforsket.

Flere studier har støttet hypotesen om at treningsinduserte fordeler er tidsdynamiske (Berchtold et al., 2005, 2010; Butler et al., 2019; YP Kim et al., 2003). Når det gjelder hunndyr, er vår forståelse av denne prosessen mindre fremtredende ettersom det meste av arbeidet hovedsakelig har blitt utført på hanner. Studier av læring og hukommelse har gitt bevis for at lignende atferdsmessige utfall mellom kjønn kan involvere forskjellige nevrale mekanismer (Becker & Koob, 2016; Keizer & Wood, 2019; Sase et al., 2019). Til tross for data som indikerer at trening forbedrer nevroplastisitet og kognisjon hos begge kjønn, er det klare bevis for de kjønnsspesifikke effektene av trening og de underliggende mekanismene.

Umenneskelige, trening forbedrer objektlokaliseringsminnet hos menn og ikke kvinner (Colemanet al., 2018). Hos gnagere forbedrer trening selektivt ytelsen til ett kjønn i visse hukommelsesoppgaver (Barha et al., 2017). På molekylært nivå er fordelingen av BDNF på tvers av flere hjernestrukturer og subregioner av hippocampus forskjellig mellom kjønn (Bakos et al., 2009; Franklin & Perrot-Sinal, 2006). Akkumulerende bevis har også fremhevet kjønnsforskjeller i funksjonene og mekanismene til BDNF (Chan & Ye, 2017). For eksempel kan det reproduktive hormonet, østrogen, regulere BDNF-uttrykk gjennom forskjellige mekanismer, hvorav en involverer epigenetiske modifikasjoner på BDNF-promotoren (Fortress et. al., 2014; Moreno-Piovano et al., 2014; Chan & Ye, 2017).

Hippocampal BDNF-proteinnivåer varierer på tvers av østrussyklusen med det høyeste uttrykket observert under brunst og proestrus, noe som tyder på at svingninger i østrogennivåer gjennom østrossyklusen hos kvinner påvirker BDNF-uttrykk forskjellig (Scharfman et al., 2003). I tillegg kan østrussyklusen også modulere mål nedstrøms for BDNF-signalveier i hippocampus (Spencer et al., 2008; Spencer-Segal et al., 2011). Uttrykket av flere gener involvert i hippocampus-funksjonen gjennomgår også dynamiske endringer gjennom østersyklusen (Iqbal et al., 2020). Samlet understreker disse dataene behovet for å undersøke treningsinduserte fordeler separat hos kvinner og menn.

Ettersom vår forrige studie har etablert treningsterskelen som engasjerer og opprettholder treningsforbedret kognitiv funksjon hos hannmus (Butler et al., 2019), brukte vi det samme treningsparadigmet for å undersøke den tidsmessige dynamikken til treningsinduserte fordeler hos hunnmus. I denne studien demonstrerer vi at hos hunnmus muliggjør 14d frivillig trening langsiktig hukommelsesdannelse under subterskelanskaffelsesbetingelser for oppgaven objektplasseringsminne (OLM). I likhet med menn (Butler et al., 2019), opprettholdes de første treningsinduserte fordelene gjennom en 7 dagers stillesittende forsinkelsesperiode og kan aktiveres på nytt med en kort 2d periode med reaktiverende trening for å muliggjøre langtidsminnedannelse under subterskelforhold.

OLM-ytelsen ble ikke påvirket av brunstsyklusfaser på tidspunktet for trening eller test. Imidlertid ble frivillig hjulløpsaktivitet forbedret under brunstfasen. I tillegg demonstrerer vi at trening forbedrer LTP i CA1-regionen av hippocampus hos kvinner, og denne effekten vedvarer selv etter en stillesittende forsinkelsesperiode, og etablerer det første beviset på tidsutholdenhet av treningsindusert nevroplastisitet hos kvinner. Til vår overraskelse ga vurdering av hippocampus Bdnf-uttrykk etter minneinnhenting ingen forskjell mellom eksperimentelle grupper, noe som tyder på at vedvarende oppregulering av BDNF kanskje ikke er nødvendig for å opprettholde treningsinduserte kognitive fordeler.

2. Materialer og metoder

2.1. Dyr

Kvinnelige, 8-uke gamle C57BL/6J-mus (Jackson Laboratory) ble plassert individuelt under standardforhold (20 grader ± 1 grad; 70 % ± 10 % fuktighet; 12 t:12 t lys og mørke syklus) og leverte annonse libitum tilgang til mat og vann. Alle eksperimenter ble utført under lysfasen. Alle eksperimenter ble utført av National Institutesof Healths retningslinjer for dyrepleie og bruk og ble godkjent av Institutional AnimalCare and Use Committee ved University of California, Irvine.

2.2. Treningsbehandling

Mus ble delt inn i grupper ({{0}}–0–0: n=8, 14–0–0: n=7, 14–7–0: n=8, 14–7–2; n=8) og individuelt plassert i enten treningsbur (utstyrt med løpehjul) eller stillesittende bur (standardbur ). Treningsbur er laget av 9,3 tommer × 13,9 tommer × 7,7 tommer (lengde × bredde × høyde) polykarbonat og utstyrt med et løpehjul på 40 cm i omkrets, 12,7 cm i diameter (Lafayette Instruments).

Frivillig hjulkjøring ble overvåket via en {{0}},110sensor/teller koblet til et sentralt grensesnitt koblet til en dedikert PC med ScurryActivity Monitoring Software (Lafayette Instruments). Treningsparametere består av en første treningsperiode (0 eller 14d) etterfulgt av en stillesittende forsinkelse (0 eller 7d), hvor det løpende hjulet ble fjernet. Etter denne perioden med inaktivitet ble noen mus gitt til å motta en reaktiverende treningsøkt, bestående av 2D-tilgang til løpehjulene (se fig. 1).

2.3. Identifikasjon av stadie i brunstsyklus av mus

Faser av brunstsyklusen ble sporet og overvåket rundt samme tid (~10.00) daglig, med start på den første dagen med hjulkjøring. Både visuell vurdering og vaginalsmear ble utført en gang daglig som beskrevet av McLean et al. (2012) og Ajayi og Akhigbe (2020). Ved hjelp av en pipette ble våte vaginale flekker tatt i 5 uL saltvann.

For å forhindre pseudograviditetseffekter (Adler & Zoloth, 1970), ble pipettespissen forsiktig plassert for ikke å trenge gjennom vaginalåpningen. Oppsamlingsvæske ble plassert på et objektglass og lufttørket ved RT. Når utstryket var helt tørt, ble objektglass farget med 0,1 % krystallfiolett farge (McLean et al., 2012). Cytologivurdering ble utført tilsvarende for å identifisere faser av østrossyklusen (se fig. 2E).

2.4. Subthreshold Object-Location memory (OLM)-oppgave

2.4.1. Apparat – Underterskelen, 3-minutt objektplasseringsminne (OLM)-oppgaven ble utført ved hjelp av et sett med 4 identiske kamre. Hvert kammer var laget av hvitfarget plast med dimensjoner på 333 mm × 320 mm × 310 mm (lengde × bredde × høyde) og inneholdt ~ 1 cm dype Sani-Chips (PJ Murphy Forest Products). En vertikal, matt svartemerkestrimmel ble festet til den ene siden av hvert kammer for å tjene som romlig navigasjonssignal. Hver kontekst ble opplyst av svakt gult lys (~15 lx). Utforskende atferd ble registrert og scoret offline ved bruk av ANY-labyrint-sporingsprogramvare (Stoelting Co.).

2.4.2. Eksperimentell design - OLM-trening, testing og analyse ble utført som beskrevet av Vogel-Ciernia et al. (2015) med innhentingsvarigheten justert til 3 minutter, som vi tidligere har vist å være underterskel for koding, noe som resulterer i dårlig ytelse i både kort- og langtidsminne (Butler et al., 2019; Intlekofer et al., 2013; Malvaez et al., 2013; McQuown et al., 2011). Før OLM-trening ble mus håndtert og deretter vant til den eksperimentelle konteksten. Mus ble håndtert i 2 minutter per dag i 4 påfølgende dager med de siste 2 dagene med håndtering overlappet med tilvenning. Tilvenning skjedde over 6 dager, hvor mus ble eksponert for den eksperimentelle konteksten i 5 minutter per dag. Tilvenningsøkter ble analysert (for å bestemme tilbakelagt distanse og hastighet) ved bruk av ANY-labyrint atferdsanalyseprogramvare. Redusert aktivitet på tvers av dager ble brukt som en indikator på vellykket tilvenning (Supplerende Fig. S1, S2). Uavhengig av treningsregimet ble løpehjul fjernet natten før OLM-trening for å eliminere de umiddelbare effektene av hjulløping på atferd.

Etter tilvenning fikk mus en 3-minutts innsamlingsøkt der to identiske gjenstander (100-mL glassbeger fylt med sement) ble plassert på forskjellige steder (plassering A1, øvre venstre, ion A2, øvre høyre). Gjenstander ble plassert 9 cm fra hverandre, 6 cm fra sideveggene og 1 cm fra frontveggen. For å vurdere langtidsminne, gjennomgikk mus en 5 min test, 24 timer etter trening, hvor en kjent gjenstand (motvekt) ble flyttet til et nytt sted (plassering A3, nederst i midten) plassert 2,5 cm fra bunnveggen. Utforskning av objektet i romanen (sted A3) vs. det kjente/faste stedet (A1) ble undersøkt.

Utforskning ble kun skåret når musehodet pekte mot objektet og kom innenfor 1 cm eller når nesen berørte objektet. Total letetid ble registrert (t) og preferanse for det nye objektet ble uttrykt som diskrimineringsindeks (DI=( roman −kjent) / (roman + kjent) × 100 %). For treningsøkter ble objektet utpekt til å flyttes under testøkten brukt som det nye objektet for å tillate at trening og testing DI kan sammenlignes direkte.

Mus som utforsket<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