Tijdelijk uithoudingsvermogen van door inspanning geïnduceerde voordelen op het hippocampusafhankelijke geheugen en synaptische plasticiteit bij vrouwelijke muizen Deel 1

Abstract

Lichaamsbeweging vergemakkelijkt de neurogenese van de hippocampus en neuroplasticiteit, wat op zijn beurt de cognitieve functie bevordert. Onze eerdere onderzoeken hebben aangetoond dat vrijwillige oefeningen bij mannelijke muizen het leren van de scheepspocampus mogelijk maken onder omstandigheden die normaal gesproken onder de drempel liggen voor de vorming van langetermijngeheugen bij sedentaire dieren. Een dergelijke cognitieve verbetering kan worden gehandhaafd lang nadat de training is gestopt en kan opnieuw worden ingeschakeld door een daaropvolgende trainingssessie onder de drempel, wat erop wijst dat de door inspanning geïnduceerde voordelen tijdelijk dynamisch zijn.

Neuroplasticiteit verwijst naar het vermogen van neuronen om zich voortdurend aan te passen aan externe stimuli en interne activiteiten. Dit vermogen speelt een cruciale rol bij de vorming en opslag van geheugen. Dat gezegd hebbende, neuroplasticiteit hangt nauw samen met geheugen.

Neuroplasticiteit vindt plaats via synaptische verbindingen tussen neuronen. Wanneer we iets nieuws ontvangen, zullen de verbindingen tussen neuronen in de hersenen veranderen en nieuwe synaptische verbindingen vormen. Dit proces vereist herhaalde oefening en herhaling om langdurige en stabiele synaptische verbindingen tot stand te brengen. Alleen deze langdurige synaptische verbinding kan het geheugen beïnvloeden en opslaan.

Neuroplasticiteit verandert ook met de leeftijd en ervaring. Neuroplasticiteit is erg krachtig als we jong zijn, en de hersenen kunnen heel snel nieuwe synaptische verbindingen vormen als we nieuwe dingen leren. Maar naarmate we ouder worden, neemt de neuroplasticiteit af, wat betekent dat het moeilijker wordt om nieuwe informatie te leren. Als we echter een positieve houding behouden en de bereidheid en gewoonte hebben om proactief nieuwe dingen te leren, kunnen we nog steeds een bepaald niveau van neuroplasticiteit handhaven. Dit betekent dat we kunnen blijven leren en groeien, waardoor ons geheugen en onze intelligentie worden verbeterd.

Samenvattend zijn neuroplasticiteit en geheugen nauw verwant. Het behouden van een positieve houding en de gewoonte om actief nieuwe kennis te leren, kan ons helpen een goede neuroplasticiteit te behouden, waardoor we een beter geheugen en een betere intelligentie kunnen bereiken. Laten we onophoudelijk studeren, een positieve houding behouden en voortdurend onze capaciteiten en kwaliteiten verbeteren. Het is duidelijk dat we ons geheugen moeten verbeteren. Cistanche deserticola kan het geheugen aanzienlijk verbeteren omdat Cistanche deserticola een traditioneel Chinees medicinaal materiaal is met veel unieke effecten, waaronder het verbeteren van het geheugen. De werkzaamheid van gehakt komt voort uit de verschillende actieve ingrediënten die het bevat, waaronder zuren, polysachariden, flavonoïden, enz. Deze ingrediënten kunnen op verschillende manieren de gezondheid van de hersenen bevorderen.

Klik op 10 manieren kennen om het geheugen te verbeteren

Bij vrouwen moeten de mate waarin de voordelen van lichaamsbeweging kunnen worden behouden en de mechanismen die aan dit onderhoud ten grondslag liggen nog worden gedefinieerd. Hier onderzochten we de inspanningsparameters die nodig zijn om de voordelen van lichaamsbeweging te initiëren en te behouden bij vrouwelijke C57BL/6J-muizen. Met behulp van een subthreshold-versie van de hippocampusafhankelijke taak, de objectlocatiegeheugentaak (OLM), laten we zien dat 14d van vrijwillige oefeningen het leren onder subthreshold-acquisitieomstandigheden bij vrouwelijke muizen mogelijk maakt. Na de initiële oefening resulteert een sedentaire vertraging van 7 dagen in verminderde prestaties, wat opnieuw kan worden vergemakkelijkt wanneer dieren 2 dagen reactiverende oefening krijgen na de sedentaire vertraging.

Beoordeling van de loopsheidscyclus laat een verhoogde wielloopactiviteit zien tijdens de bronstfase ten opzichte van de dieestrusfase, terwijl de loopsheidsfase tijdens training of test de OLM-prestaties niet beïnvloedde. Met behulp van dezelfde trainingsparameters laten we zien dat 14 dagen inspanning de langetermijnpotentiatie verbetert ( LTP) in het CA1-gebied van de hippocampus, een effect dat aanhoudt gedurende de gehele tandheelkundige vertraging en na de reactiverende trainingssessie. Eerdere studies hebben door inspanning geïnduceerde opregulatie van BDNF voorgesteld als het mechanisme dat ten grondslag ligt aan door inspanning gemedieerde voordelen op synaptische plasticiteit en cognitie.

Onze beoordeling van de hippocampale Bdnf-mRNA-expressie na het ophalen van herinneringen laat echter geen verschil zien tussen inspanningsomstandigheden en controle, wat erop wijst dat aanhoudende Bdnf-upregulatie mogelijk niet nodig is voor het behoud van door inspanning geïnduceerde voordelen. Samen geven onze gegevens aan dat 14 dagen vrijwillige lichaamsbeweging langdurige voordelen kan opleveren voor de neuroplasticiteit en cognitieve functie bij vrouwelijke muizen, waarmee het eerste bewijs wordt geleverd van het temporele uithoudingsvermogen van door inspanning geïnduceerde voordelen bij vrouwen.

Trefwoorden

Oefening; Aan het leren; Hoippocampus; Synaptische plasticiteit; BDNF; Oestrische cyclus.

1. Inleiding

De effecten van lichaamsbeweging op het ondersteunen en behouden van de gezondheid van de hersenen zijn goed gedocumenteerd. In de hersenen is de hippocampus cruciaal voor leren en geheugenvorming, aangezien verstoring van deze hersenstructuur leidt tot geheugenstoornissen (Packard & McGaugh, 1996; Riedel et al., 1999; Scoville & Milner, 1957). Daarom worden afwijkende morfologische en functionele veranderingen in de hippocampus toegeschreven aan cognitieve stoornissen die verband houden met veroudering en ziektetoestanden (Bettio et al., 2017).

Studies bij zowel mensen (ten Brinkeet al., 2015; Erickson et al., 2011; Pajonk et al., 2010; Teixeira et al., 2018) als diermodellen (Cooper et al., 2018; Neeper et al., 1996; O'Callaghan et al., 2007; Van Praag, 2008) hebben de effecten van lichaamsbeweging op het ondersteunen van de structurele en functionele integriteit van de hippocampus aangetoond, wat suggereert dat lichaamsbeweging een effectieve niet-farmacologische interventie is voor cognitieve stoornissen in zowel fysiologische als pathologische omstandigheden (Intlekofer & Cotman, 2013; Lauretta et al., 2021; Liu et al., 2011; Muscari et al., 2010).

Ondanks uitgebreid onderzoek naar de gunstige effecten van lichaamsbeweging en de relatie tussen de hippocampus en de cognitieve functie, is er weinig bekend over de temporele dynamiek van door inspanning geïnduceerde voordelen. Dat wil zeggen: wat is de duur van de inspanning die nodig is om de functie van de hippocampus te verbeteren, en hoe lang blijven deze voordelen bestaan ​​nadat de inspanning is gestopt?

Nog minder studies hebben geprobeerd de moleculaire mechanismen te onderzoeken die ten grondslag liggen aan het behoud van door inspanning geïnduceerde voordelen. Gegeven het feit dat bewegingsregimes bij mensen minder rigide en consistent zijn dan die welke in dierstudies worden gebruikt (Lee & Skerrett, 2001), is het belangrijk om bewegingsprotocollen te ontwikkelen die flexibel zijn en geen dagelijkse oefeningsroutine vereisen, maar toch door inspanning geïnduceerde cognitieve vaardigheden kunnen stimuleren en behouden. voordelen. In dierstudies is het moeilijk om de minimale inspanningsduur te identificeren die nodig is om de voordelen van lichaamsbeweging te initiëren en te behouden, vanwege de aanzienlijke variatie in de trainingsprotocollen die in de onderzoeken worden gebruikt (Loprinzi etal., 2019). Daarom blijft het belangrijk om de inspanningsdrempel te onderzoeken die cognitieve voordelen induceert en in stand houdt, en de onderliggende mechanismen.

Lichaamsbeweging vergemakkelijkt neuroplasticiteit, neurogenese en vervolgens leren en geheugen via mechanismen die de neurotrofe werking van de van de hersenen afgeleide neurotrofe factor (BDNF) in de hippocampus induceren (Alomari et al., 2013; Cotman et al., 2007; Cotman & Berchtold, 2002; Ding et al., 2011; Triviño-Paredes et al., 2016; Van Praag, Christie, et al., 1999; Van Praag, Kempermann, et al., 1999). Bij zowel vrouwelijke als mannelijke knaagdieren verbetert oefening de gedragsprestaties bij een breed scala aan geheugentaken, waaronder de zwaar ruimtelijk georiënteerde, op de hippocampus gebaseerde taken: Morris water maze (MWM), object-location memory (OLM) en radiale arm doolhof naast andere op de hippocampus gebaseerde geheugentaken zoals contextuele angstconditionering, passieve vermijding en herkenning van nieuwe objecten (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).

Bij mannelijke knaagdieren hebben onze onderzoeken en anderen vastgesteld dat een minimale oefenduur van twee weken nodig is voor voordelen op het gebied van leren en geheugen, die behouden kunnen blijven tijdens een periode van inactiviteit en opnieuw kunnen worden betrokken door opnieuw kennis te maken met een korte tweede oefensessie onder de drempel (Berchtold et al. al., 2010; Butler et al., 2019; Intlekofer et al., 2013). Op moleculair niveau induceert 2 weken lichaamsbeweging een opregulering van het uit de hersenen afkomstige neurotrofe factor-eiwit van de hippocampus bij mannelijke ratten (Berchtold et al., 2005).

Na het verval van de verhoogde BDNF-niveaus naar de basislijn kan een daaropvolgende herintroductie van een korte, subdrempelige 2D-oefensessie opnieuw verhoogde niveaus van BDNF in de hippocampus faciliteren (Berchtold et al., 2005). Dit suggereert dat door inspanning gemedieerde opregulatie van BDNF een potentieel mechanisme is dat langdurige neuronale veranderingen in gang zet om een ​​stimulus met een lagere trainingsfrequentie mogelijk te maken om van deze aanpassingen te profiteren en cognitieve voordelen te vergemakkelijken.

BDNF-signalering bevordert eiwitsynthese-afhankelijke mechanismen om hippocampal lange termijn potentiëring (LTP) te induceren, een cellulair correlaat van leren en geheugen (Panja & Bramham, 2014; Silva, 2003). Daarom wordt gesuggereerd dat een verbetering van de hippocampale LTP na oefening ten grondslag ligt aan door oefeningen gefaciliteerd leren (L. Bettio et al., 2019; Liuet al., 2011). Voor zover wij weten heeft tot nu toe geen enkele studie onderzocht of een verbetering van LTP aanhoudt na het stoppen met inspanning, bij beide geslachten. Verschillende onderzoeken hebben aangetoond dat oefeningen de LTP in de dentate gyrus efficiënt kunnen verbeteren (Farmer et al., 2004; Van Praag, Christie, et al., 1999; Vasuta et al., 2007). Er is echter een verrassend gebrek aan onderzoek dat onderzoekt hoe oefening moduleert synaptische plasticiteit in het CA1-subveld (Cotman et al., 2007), dat dient als het meest bestudeerde gebied in de hippocampus in de context van ruimtelijk geheugen (Patten et al., 2015). Daarom moet de relatie tussen lichaamsbeweging en CA1-plasticiteit nog worden onderzocht.

Verschillende onderzoeken hebben de hypothese ondersteund dat door inspanning geïnduceerde voordelen temporeel dynamisch zijn (Berchtold et al., 2005, 2010; Butler et al., 2019; YP Kim et al., 2003). Wat betreft vrouwelijke dieren is ons begrip van dit proces minder prominent, aangezien het meeste werk voornamelijk bij mannen is uitgevoerd. Studies naar leren en geheugen hebben bewijs opgeleverd dat bij vergelijkbare gedragsresultaten tussen geslachten verschillende neurale mechanismen betrokken kunnen zijn (Becker & Koob, 2016; Keizer & Wood, 2019; Sase et al., 2019). Ondanks gegevens die erop wijzen dat lichaamsbeweging de neuroplasticiteit en cognitie bij beide geslachten verbetert, is er duidelijk bewijs voor de seksespecifieke effecten van lichaamsbeweging en de onderliggende mechanismen.

Bij mensen verbetert lichaamsbeweging het objectlocatiegeheugen bij mannen en niet bij vrouwen (Colemanet al., 2018). Bij knaagdieren verbetert lichaamsbeweging selectief de prestaties van één geslacht bij bepaalde geheugentaken (Barha et al., 2017). Op moleculair niveau is de verdeling van BDNFa over meerdere hersenstructuren en subregio's van de hippocampus verschillend tussen geslachten (Bakos et al., 2009; Franklin & Perrot-Sinal, 2006). Steeds meer bewijsmateriaal heeft ook sekseverschillen in de functies en mechanismen van BDNF aan het licht gebracht (Chan & Ye, 2017). Het voortplantingshormoon oestrogeen kan bijvoorbeeld de BDNF-expressie reguleren via verschillende mechanismen, waarvan er één epigenetische modificaties op de BDNF-promoter omvat (Fortress et al., 2014; Moreno-Piovano et al., 2014; Chan & Ye, 2017).

De niveaus van BDNF-eiwit in de hippocampus variëren gedurende de oestrische cyclus, waarbij de hoogste expressie wordt waargenomen tijdens de oestrus en de pro-oestrus, wat suggereert dat schommelingen in de oestrogeenniveaus gedurende de oestrische cyclus bij vrouwen op verschillende manieren de BDNF-expressie beïnvloeden (Scharfman et al., 2003). Bovendien kan de oestrische cyclus ook doelen stroomafwaarts van BDNF-signaalroutes in de hippocampus moduleren (Spencer et al., 2008; Spencer-Segal et al., 2011). De expressie van verschillende genen die betrokken zijn bij de functie van de hippocampus ondergaat ook dynamische veranderingen gedurende de loopsheidscyclus (Iqbal et al., 2020). Gezamenlijk benadrukken deze gegevens de noodzaak om de door inspanning veroorzaakte voordelen bij vrouwen en mannen afzonderlijk te onderzoeken.

Omdat onze vorige studie de inspanningsdrempel heeft vastgesteld die de cognitieve functie bij mannelijke muizen activeert en in stand houdt (Butler et al., 2019), hebben we hetzelfde trainingsparadigma gebruikt om de temporele dynamiek van door inspanning geïnduceerde voordelen bij vrouwelijke muizen te onderzoeken. In deze studie demonstreren we dat bij vrouwelijke muizen 14 dagen vrijwillige oefening langetermijngeheugenvorming mogelijk maakt onder acquisitieomstandigheden onder de drempel van de objectlocatiegeheugentaak (OLM). Net als bij mannen (Butler et al., 2019) blijven de initiële door inspanning geïnduceerde voordelen behouden gedurende een sedentaire vertragingsperiode van zeven dagen. Deze kunnen opnieuw worden geactiveerd door een korte tweede periode van reactiverende oefeningen om geheugenvorming op lange termijn mogelijk te maken onder omstandigheden die onder de drempel liggen.

De OLM-prestaties werden niet beïnvloed door de loopsheidsfasen op het moment van training of test. De vrijwillige wielloopactiviteit werd echter versterkt tijdens de oestrusfase. Bovendien laten we zien dat lichaamsbeweging de LTP in het CA1-gebied van de hippocampus bij vrouwen verbetert, en dit effect blijft zelfs na een sedentaire vertragingsperiode bestaan, waarmee het eerste bewijs wordt geleverd van de tijdelijke uithoudingsvermogen van door inspanning geïnduceerde neuroplasticiteit bij vrouwen. Tot onze verrassing leverde de beoordeling van de Bdnf-expressie in de hippocampus na het ophalen van het geheugen geen verschil op tussen experimentele groepen, wat erop wijst dat aanhoudende opregulatie van BDNF mogelijk niet nodig is om door inspanning geïnduceerde cognitieve voordelen te behouden.

2. materialen en methoden

2.1. Dieren

Vrouwelijke, 8-weken oude C57BL/6J-muizen (Jackson Laboratory) werden individueel gehuisvest onder begrijpelijke omstandigheden (20 graden ± 1 graad; 70% ± 10% vochtigheid; 12 uur: 12 uur lichte en donkere cyclus) en werden voorzien van advertentie libitum toegang tot voedsel en water. Alle experimenten werden uitgevoerd tijdens de lichtfase. Alle experimenten werden uitgevoerd volgens de richtlijnen van de National Institutes of Health voor de verzorging en het gebruik van dieren en werden goedgekeurd door het Institutional AnimalCare and Use Committee van de Universiteit van Californië, Irvine.

2.2. Oefening behandeling

Muizen werden in groepen verdeeld ({{0}}–0–0: n=8, 14–0–0: n=7, 14–7–0: n=8, 14–7–2; n=8) en individueel gehuisvest in oefenkooien (uitgerust met loopwiel) of sedentaire kooien (standaardkooi ). Trainingskooien zijn gemaakt van polycarbonaat van 9,3 x 13,9 x 7,7 inch (lengte x breedte x hoogte) en uitgerust met een loopwiel met een omtrek van 40 cm en een diameter van 12,7 cm (Lafayette Instruments).

Het vrijwillig draaien van de wielen werd gemonitord via een {{0}},110sensor/teller aangesloten op een centrale interface die was aangesloten op een speciale pc met ScurryActivity Monitoring Software (Lafayette Instruments). Trainingsparameters bestaan ​​uit een initiële trainingsperiode (0 of 14d), gevolgd door een sedentaire vertraging (0 of 7d), gedurende welke het loopwiel werd verwijderd. Na deze periode van inactiviteit kregen enkele muizen een reactiverende oefensessie toegewezen, bestaande uit 2D-toegang tot de loopwielen (zie figuur 1).

2.3. Identificatie van het stadium van de oestrische cyclus van de muis

De fasen van de loopsheid werden dagelijks rond dezelfde tijd (~10.00 uur) gevolgd en gemonitord, beginnend op de eerste dag waarop het wiel liep. Zowel de visuele beoordeling als het vaginale uitstrijkje werden eenmaal per dag uitgevoerd, zoals beschreven door McLean et al. (2012) en Ajayi en Akhigbe (2020). Met behulp van een pipet werden natte vaginale plekken in 5 µl zoutoplossing genomen.

Om schijnzwangerschapseffecten te voorkomen (Adler & Zoloth, 1970), werd de pipetpunt zorgvuldig gepositioneerd om niet in de vaginale opening te dringen. De verzamelvloeistof werd op een glasplaatje geplaatst en bij kamertemperatuur aan de lucht gedroogd. Zodra het uitstrijkje volledig droog was, werden de objectglaasjes gekleurd met 0,1% kristalvioletkleuring (McLean et al., 2012). Cytologische beoordeling werd dienovereenkomstig uitgevoerd om fasen van de oestrische cyclus te identificeren (zie figuur 2E).

2.4. Subthreshold Object-Location Memory (OLM)-taak

2.4.1. Apparaat: de subdrempel, 3-minuten OLM-taak (objectlocatiegeheugen) werd uitgevoerd met behulp van een set van vier identieke kamers. Elke kamer was gemaakt van witgekleurd plastic met afmetingen van 333 mm x 320 mm x 310 mm (lengte x breedte x hoogte) en bevatte ~ 1 cm diepe Sani-Chips (PJ Murphy Forest Products). Aan één zijde van elke kamer werd een verticale, matte, zwarte markeringsstrook geplakt die als ruimtelijke navigatiemarkering diende. Elke context werd verlicht door zwak geel licht (~15 lx). Verkenningsgedrag werd geregistreerd en offline gescoord met behulp van ANY-maze-trackingsoftware (Stoelting Co.).

2.4.2. Experimenteel ontwerp: OLM-training, testen en analyses werden uitgevoerd zoals beschreven door Vogel-Ciernia et al. (2015) waarbij de acquisitieduur werd aangepast naar 3 minuten, waarvan we eerder hebben aangetoond dat deze onder de drempel ligt voor codering, wat resulteert in slechte prestaties in zowel het korte- als langetermijngeheugen (Butler et al., 2019; Intlekofer et al., 2013; Malvaez et al., 2013; McQuown et al., 2011). Vóór de OLM-training werden muizen behandeld en vervolgens gewend aan de experimentele context. Muizen werden gedurende 4 opeenvolgende dagen gedurende 2 minuten per dag gehanteerd, waarbij de laatste 2 dagen van behandeling overlapten met gewenning. Gewenning vond plaats gedurende 6 dagen, gedurende welke muizen gedurende 5 minuten per dag werden blootgesteld aan de experimentele context. Gewenningssessies werden geanalyseerd (om de afgelegde afstand en snelheid te bepalen) met behulp van ANY-maze gedragsanalysesoftware. Verminderde activiteit over de dagen heen werd gebruikt als een indicator voor succesvolle gewenning (aanvullende figuur S1, S2). Ongeacht het trainingsregime werden de loopwielen de avond vóór de OLM-training verwijderd om de directe effecten van het wielrennen op het gedrag te elimineren.

Na gewenning kregen de muizen een acquisitiesessie van 3- minuten waarbij twee identieke voorwerpen (100-ml glazen bekers gevuld met cement) op verschillende locaties werden geplaatst (locatie A1, linksboven, ion A2, rechtsboven). Objecten werden 9 cm van elkaar verwijderd, 6 cm van de zijwanden en 1 cm van de voormuur. Om het langetermijngeheugen te beoordelen, ondergingen muizen een test van 5 minuten, 24 uur na de training, waarbij één bekend object (met tegenwicht) werd verplaatst naar een nieuwe locatie (locatie A3, middenonder) op 2,5 cm van de bodemmuur. Er werd onderzoek gedaan naar het object in de nieuwe (locatie A3) versus de bekende/vaste locatie (A1).

Verkenning werd alleen gescoord als de muiskop naar het object wees en binnen 1 cm kwam of als de neus het object raakte. De totale verkenningstijd werd geregistreerd (t) en de voorkeur voor het nieuwe object werd uitgedrukt als discriminatie-index (DI=( nieuw −bekend) / (nieuw + bekend) × 100%). Voor trainingssessies werd het object dat tijdens de testsessie moest worden verplaatst, gebruikt als het nieuwe object, zodat training en testen van DI direct konden worden vergeleken.

Muizen die op verkenning gingen<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