De differentiële effecten van korte milieuverrijking na sociaal isolement bij ratten, deel 3

Neuronale activiteit

We kwantificeerden het aantal c-Fos+-cellen in elk interessegebied, namen het rekenkundige gemiddelde voor elk dier en maakten vergelijkingen op groepsniveau (Fig. 6). De onderzochte secties werden verkregen op vergelijkbare rostra-caudale niveaus (-3.0 tot -3,6 vanaf het Bregma-punt; Paxinos & Watson, 2006) om het effect van topografische variabiliteit op neuronale activiteit te minimaliseren.

Neuronen zijn de meest basale neuronale eenheden in de hersenen en spelen een cruciale rol in het menselijk lichaam. Neuronactiviteit speelt een sleutelrol in het menselijk geheugen, denken, besluitvorming en bewustzijnsstaat. Hieronder gaan we dieper in op de relatie tussen neuronale activiteit en geheugen.

Ten eerste kan de impact van neuronale activiteit in de hersenen op het geheugen worden gerealiseerd via de synaptische verbindingen van neuronen. Tussen neuronen kunnen duizenden synaptische verbindingen worden gevormd, en deze verbindingen zijn belangrijke routes voor informatieoverdracht in de hersenen. Wanneer een neuron wordt geactiveerd, komen er neurotransmitters vrij, die de activiteitsstatus van naburige neuronen beïnvloeden. Deze synaptische verbindingen kunnen worden versterkt door voortdurend gebruik, waardoor het vasthouden en ophalen van geheugen wordt verbeterd.

Ten tweede kan neuronale activiteit worden onderverdeeld in twee categorieën: excitatie en remming. Wanneer neuronen opgewonden zijn, kunnen de elektrische signalen die ze genereren zich voortplanten naar naburige neuronen, waardoor de exciterende activiteit van het neuron wordt versterkt. Deze stimulerende activiteit is belangrijk voor het verbeteren van het vasthouden en ophalen van herinneringen, omdat het mensen helpt informatie beter te onthouden en te begrijpen. Wanneer neuronen daarentegen worden geremd, onderdrukken de elektrische signalen die ze produceren de activiteit van naburige neuronen, waardoor het vermogen van de hersenen om informatie te verwerken wordt verzwakt. Daarom moeten we proberen een aantal ongezonde gewoonten en omgevingen, zoals overmatig drinken en gebrek aan slaap, te vermijden. Deze gewoonten kunnen de activiteit van neuronen schaden en het leren en het geheugen belemmeren.

Ten slotte moeten we de uitdagingen in het leven met een optimistische houding tegemoet treden. Dit komt omdat een optimistische emotionele toestand de verbindingen tussen neuronen kan bevorderen en het geheugen verder kan versterken. Integendeel, negatieve emotionele toestanden kunnen de verbindingen tussen neuronen verstoren, waardoor het geheugen van mensen kwetsbaarder wordt.

Kortom, neuronale activiteit hangt nauw samen met het geheugen. Door de synaptische verbindingen tussen neuronen te versterken, de prikkelende activiteit van neuronen in stand te houden, ongezonde gewoonten en omgevingen te vermijden en een optimistische houding te behouden, kunnen we ons geheugen voortdurend verbeteren en meer succes boeken in het leren en in het leven. Het is duidelijk dat we het geheugen moeten verbeteren, en Cistanche deserticola kan het geheugen aanzienlijk verbeteren, omdat Cistanche deserticola een traditioneel Chinees medicinaal materiaal is dat veel unieke effecten heeft, 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

Zoals blijkt uit representatieve c-Fos-immunolabelingsafbeeldingen (Fig. 6), ontdekten we dat het aantal c-Fos+-cellen in de RSC significant verschillend was voor continue SI (M= 2356.5, SD=438.4 ) en SI tot EE-dieren (M=3443.7,SD=856.3; t (10)=2.77, p=0.02, d {{17 }}.6, t-test van onafhankelijke monsters; figuur 7). Op dezelfde manier hadden continue SI-dieren (M=739.7, SD=201.4) in de VRC een significant lager aantal c-Fos+-cellen vergeleken met de experimentele groep (M=2398.3, SD=1070.6; t (10)=3.73, p=0.004,d=2.15, t-test van onafhankelijke monsters; figuur 7).

Een dergelijk verschil werd niet waargenomen in de LA (continu SI: M=823.6, SD=225.6 vs. SI tot EE: M=957, SD =584.4; t (8)=0.48, p=0.647, t-test van onafhankelijke monsters; figuur 7) of BL (continue SI: M=588.2, SD {{16 }}.5 vs.SI tot EE: M=1176.4, SD=677.7; t (8)=1.66, p=0.136,onafhankelijk monsters t-test, figuur 7).

Discussie

We laten zien dat een korte EE na 30 dagen sociaal isolement tegengestelde resultaten opleverde in depressie- en angstachtig gedrag. Vergeleken met de controlegroep vertoonden dieren die van SI naar EE waren overgeschakeld, verhoogde gedragswanhoop in de FST. Daarentegen vonden we een substantieel anxiolytisch effect in dezelfde groep na 5 dagen verrijking.

In het kort vertoonden verrijkte dieren die SI volgden een betere prestatie van het ruimtelijk werkgeheugen tijdens de eerste twee dagen van de WYM vergeleken met de continue SI-groep, wat wijst op sneller leren. Korte verrijking werd geassocieerd met veranderingen in neuronale activiteitsniveaus in de retrospleniale en perirhinale cortex. SI- tot EE-dieren hadden een significant hoger aantal c-Fos+-cellen in deze corticale gebieden vergeleken met de controledieren.

Door eerder onderzoek te repliceren waarin een gewichtsdaling in EE werd vermeld (Harati et al., 2011; Moncek et al., 2004; Zaias et al., 2008), nam het lichaamsgewicht van de SI- tot EE-dieren aanzienlijk af na verrijking. Dit was in tegenstelling tot ander werk dat geen effect van chronische (Glueck et al., 2017; Grimmet al., 2016, 2018) of korte verrijking (Beale et al., 2011) op het gewicht rapporteerde.

Het loopwiel in de verrijkingskooi (Augustsson et al., 2002; Harati et al., 2011; Steinet al., 2016) en de aanvankelijke onderdrukking van de voeding op korte termijn waargenomen bij dieren in paren na isolatie (Lopak & Eikelboom, 2000; O 'Connor & Eikelboom, 2000; Weisinger et al., 1989) kunnen dit verschil verklaren.

Langdurige isolatie verandert niets aan de voedselconsumptie (Hellemans et al., 2004) of het lichaamsgewicht (Fone & Porkess, 2008). Een dergelijke gewichtsverandering werd niet waargenomen bij continue SI-dieren.

Opgemerkt moet worden dat gedragswanhoop die werd waargenomen in de SI tot EE-groep geen weerspiegeling was van veranderingen in metabolische verschillen, aangezien de algehele bewegingsactiviteit in de OFT niet verschilde tussen de groepen. Deze bevinding is opmerkelijk gezien het feit dat chronische of subchronische SI zelf kan worden gebruikt als knaagdiermodel voor depressie (Djordjevic et al., 2015; Stanisavljević et al., 2019).

Daarentegen zijn er tegenstrijdige resultaten voor de effecten van EE op gedragswanhoop. Sommige onderzoeken rapporteren geen significant effect (Cui et al., 2006; Simpsonet al., 2012), terwijl andere een verhoogde mobiliteit vonden in de testfase van de FST, wat wijst op een antidepressief effect (Brenes et al., 2008; Cui et al., 2006). (Porsolt et al., 1977).

Eén reden voor de depressieve effecten van korte EE die in ons onderzoek zijn waargenomen, zou de nieuwigheidsstress kunnen zijn die wordt veroorzaakt door de verrijkingskooi na relatief langdurige isolatie met minimale omgevingsstimulatie (Hennessy & Foy, 1987; Miura et al., 2002). Nieuwigheidsstress, een fenomeen dat ook bij mensen wordt waargenomen, werd geassocieerd met veranderingen in de synaptische monoaminespiegels en verhoogde HPA-asactiviteit (Miuraet al., 2002). Het depressieve effect van korte EE in onze studie ging echter gepaard met een substantieel anxiolytisch effect dat werd waargenomen in de EPM (Fig. 4).

Omgevingsverrijking kan ook functioneren als een sociale stressor door druktestress te veroorzaken, vooral bij maleratten die elkaar niet kennen (Brown & Grunberg, 1995).

Opgemerkt moet worden dat de acht dieren in de SI tot EE-groep oorspronkelijk uit vier verschillende kooien kwamen, waardoor de meeste andere dieren in de EE-kooi onbekend waren. Crowding is, net als isolatiestress, gecorreleerd met verhoogde plasmaspiegels van adrenocorticotroop hormoon (ACTH) en corticosteron (CORT) (Dronjak et al., 2004).

Ondanks deze potentiële veranderingen produceerde een korte verrijking van dit onderzoek een diepgaand anxiolytisch effect, zoals waargenomen in het merendeel van eerder onderzoek (Galani et al., 2007; Haratiet al., 2013; Leal-Galicia et al., 2008; Leal-Galicia et al. .,2007; Peña et al., 2006; Sampedro-Piquero et al., 2014; maar zie Goes et al., 2015; Mann & Gervais, 2011). Langdurige isolatie leidt daarentegen vaak tot een anxiogeen effect in de EPM (Djordjevic et al., 2015; Hall, 1998), evenals tot andere metingen van angstachtig gedrag (Spasojevic et al., 2007; Zlatković et al., 2014).

Vergelijkbaar met het ontwerp van de huidige studie, hebben Ravenelle et al. (2013) toonden aan dat ratten die gefokt waren om hoge angst te vertonen en blootgesteld werden aan EE na het spenen, meer tijd doorbrachten in de open armen van de EPM vergeleken met verarmde, angstige ratten.

Deze bevindingen laten zien dat, in tegenstelling tot gedragswanhoop, de relatie tussen leefomstandigheden (milieu) en angst eenvoudig is: een toename van de verrijking vermindert de angst (Benaroya-Milshtein et al., 2004; Ravenelle et al., 2014; Sampedro-Piquero et al., 2013 ). In overeenstemming met de huidige bevindingen rapporteerden andere korte EE-experimenten anxiolytische effecten gedurende slechts 2 weken verrijking (BrionesAranda et al., 2020). De duur en intensiteit van de verrijking waren mogelijk niet voldoende in de weinige onderzoeken die geen anxiolytisch effect van verrijking rapporteerden (zie Goes et al., 2015; Simpson & Kelly, 2012). De EE-kooi in het huidige onderzoek omvatte een loopwiel voor vrijwillige oefeningen, wat angstachtig gedrag in de EPM verder vermindert (Binderet al., 2004; Burghardt et al., 2004).

Om de cognitieve effecten van korte verrijking te beoordelen, kozen we voor een eenvoudige maar veelzijdige geheugentaak, de WYM spontane afwisselingstest. Dit gemeten ruimtelijke werkgeheugen is afhankelijk van verschillende structuren, waaronder de prefrontale cortex, de hippocampus en de basale voorhersenen. Verarmde huisvestingsomstandigheden en sociaal isolement leiden tot verschillende plasticiteitsgerelateerde veranderingen in de cortex (Gregory & Szumlinski, 2008; Ieraci et al., 2016; Popa et al., 2020), vergezeld van een beperking in ruimtelijke werkgeheugentaken (Gregory & Szumlinski, 2008; Melendez et al., 2004).

Verrijking produceert daarentegen vaak het tegenovergestelde effect op neuronaal en gedragsniveau (Sampedro-Piquero et al., 2013). Onze bevindingen laten zien dat vijf dagen verrijking sterk genoeg was om de prestaties van het ruimtelijke werkgeheugen te verbeteren na 30 dagen SI-stress. Dit verschil bleef niet bestaan ​​op de derde dag van de test, toen beide groepen een significante afname vertoonden in hun latentie om het juiste platform te vinden. Het stressvolle karakter van de WYM kan tot deze resultaten hebben bijgedragen.

De WYM-taak is, net als andere waterdoolhoven, afhankelijk van de inherente motivatie van het dier om aan een aversieve toestand (dwz water) te ontsnappen. Verschillen in angstniveaus kunnen de geheugenprestaties tijdens de eerste sessies beïnvloeden voordat dieren leren dat er een ontsnappingsplatform is. Een dergelijk verschileffect zou van voorbijgaande aard zijn, aangezien er zes opeenvolgende proeven per dag waren en dieren die het platform niet binnen 60 seconden konden lokaliseren, er aan het einde van elke proef voorzichtig naartoe werden geleid.

We hebben deze verschillende gedragsbevindingen gecorreleerd met c-Fos-immunohistochemie. Omdat het piekniveau van c-Fosproteïne-expressie ongeveer 90 minuten vóór de perfusie plaatsvindt, weerspiegelen de verschillen op groepsniveau die worden waargenomen in neuronale activiteit voornamelijk de verschillende omgevingsomstandigheden.

Sommige van deze verschillen kunnen echter te wijten zijn aan aanhoudende langetermijnveranderingen in neuronale circuits, veroorzaakt door korte EE en de verschillende effecten van daaropvolgende gedragstesten. In theorie kan korte EE in specifieke regio's nieuwe circuits hebben gevormd en oude hebben gewijzigd, wat zou resulteren in verschillen in het aantal actieve neuronen onder dezelfde omstandigheden (Nikolaev et al., 2002; Zorzoet al., 2019). In onze studie was het niet mogelijk om deze aanhoudende veranderingen in neuronale activiteit te isoleren van de voorbijgaande verschillen die de activiteit ongeveer 90 minuten vóór de perfusie weerspiegelden.

Bij SI- tot EE-dieren hebben we significant meer c-Fos+-cellen geregistreerd in de retrospleniale cortex, een associatiecortex die betrokken is bij allocentrische ruimtelijke navigatie en geheugen naast verschillende andere functies (Hindley et al., 2014; Vann & Aggleton, 2002). Bovendien hadden deze dieren meer c-Fos+cellen in de perirhinale cortex, het corticale gebied dat ten grondslag ligt aan objectherkenning en associatief geheugen (Samarthet al., 2017; Unal et al., 2012). Deze structuur, die de dichtste afferent van de entorhinale cortex vormt, is ook vereist voor het ruimtelijk werkgeheugen (Liu & Bilkey, 2001). Beide resultaten vormen een aanvulling op het snellere leerproces dat werd waargenomen bij SI- tot EE-dieren in de vroege fase van de WYM.

Er was geen verschil op groepsniveau in c-Fos-immunolabeling in de laterale en basolaterale kernen van de amygdala. Een eerder onderzoek naar FosB/DFosB-immuunreactiviteit in het basolaterale amygdalacomplex (BLA) en de mediale prefrontale cortex (mPFC) na een overstap van SI naar EE (elk 4 weken) vond significant meer immunolabeling in de BLA van geïsoleerde dieren en de mPFC van SI naar EE-dieren (Watanasriyakul et al., 2019). Het hogere aantal c-Fos+-cellen dat in onze bevindingen in de retrospleniale en perirhinale cortex van SI- tot EE-dieren wordt aangetroffen, komt overeen met de bovengenoemde waarneming uit de mPFC. Daarentegen hebben we geen betekenisvol verschil waargenomen in de LA of BL. Het is waarschijnlijk dat de c-Fos-immunoreactiviteit die in de amygdala wordt waargenomen voornamelijk voorbijgaande veranderingen in neuronale activiteit weerspiegelt: neuronen met een hoog niveau van vuren ongeveer 90 minuten vóór perfusie. Daarom correleren de differentiële gedragsresultaten die worden waargenomen bij de FST en EPM niet met een aanhoudend verschil in neuronale activiteit.

Ondanks de populariteit ervan in de gedragsneurowetenschappen, bestaat er een grote discussie over de validiteit van de FST als knaagdiermodel voor klinische depressie. Eén kritiekpunt beschouwt de immobiliteit in de FST als adaptief gedrag en niet als een indicatie van gedragswanhoop (Anyan &Amir, 2018; Borsini et al., 1986; Molendijk & de Kloet,2015, 2019). Volgens dit gezichtspunt hoeft de toegenomen FST-2 immobiliteit van de SI-tot-EE-groep niet indicatief te zijn voor gedragswanhoop; maar weerspiegelen een betere gedragsaanpassing (of leren) van de kortstondig verrijkte groep. Deze mogelijkheid kan niet volledig worden uitgesloten (zie Unal & Canbeyli, 2019 voor een gedetailleerd overzicht van de gedragsaanpassingstheorie van de FST). Als de toegenomen immobiliteit van de experimentele groep echter uitsluitend voortkwam uit hun grotere aanpassingsvermogen, zou dit waarschijnlijk worden weerspiegeld in hun algehele WYM-prestaties. De FST-2 werd uitgevoerd met vier dagen verrijking, terwijl de laatste WYM-sessie plaatsvond gedaan na een verblijf van 10 dagen in de EE-kooi. Het is daarom waarschijnlijk dat de meeste, zo niet alle, verschillen in immobiliteit in de FST een weerspiegeling zijn van verschillen in affectieve verwerking op groepsniveau.

Eén beperking van de huidige studie was het exclusieve gebruik van mannelijke ratten. Laboratoriumratten van verschillende stammen, zoals mensen, vertonen sekseverschillen in gevoeligheid voor angst en verschillende depressieve symptomen zoals anhedonie (Unal & Moustafa, 2021). Wat het merendeel van het neurobiologische onderzoek betreft waarbij gebruik wordt gemaakt van knaagdiermodellen, beperkt deze technische beperking de generalisatie van onze bevindingen. Een andere beperking was het ontbreken van stresshormoonmetingen. Ons ontwerp was beperkt tot gedragsmetingen van stress en ex vivo beoordeling van recente neuronale activiteit met behulp van c-Fos-immunohistochemie.

Over het geheel genomen hebben we aangetoond dat een korte EE-procedure voldoende was om een ​​substantieel anxiolytisch effect te veroorzaken na SIstress. Opvallend was dat dit het tegenovergestelde resultaat opleverde bij gedragswanhoop. SI-tot-EE-dieren vertoonden een significant hogere immobiliteit in de testfase van de FST, terwijl continue SI een relatief antidepressief effect had. De korte verrijkingsperiode was voldoende om de prestaties van het ruimtelijke werkgeheugen in de vroege fase van de WYM te versnellen. Een significant hogere expressie van het c-Fos-eiwit in de retrospleniale en perirhinale cortex van de SI- tot EE-dieren vulde deze waarneming aan. Toen sociaal isolement verder ging dan het gebruik ervan als laboratoriummodel en een gebruikelijk onderdeel van het dagelijks leven werd met de COVID-19 pandemie (Unal, 2021), trok de verrijking van het milieu de aandacht als een potentieel vertaalbaar paradigma tegen menselijk isolement (Davim et al., 2020;Rojas-Carvajal et al., 2021). Onze resultaten brachten verschillende effecten aan het licht in depressief en angstachtig gedrag van verrijking na relatief langdurige isolatie. Dit geeft aan dat, in tegenstelling tot de cognitieve effecten, de affectieve gevolgen van de overstap van een verarmde naar een verrijkte toestand niet eenduidig ​​zijn. Een belangrijke vraag is of deze bevindingen van toepassing zijn op mensen die worden blootgesteld aan relatief verrijkte omstandigheden na langdurig sociaal isolement.

Dankbetuiging De auteurs danken Aybeniz Ece Çetin voor het ontwikkelen van c-Fos-immunohistochemie, en Cem Sevinç, Ege Kingir en Salih Çayır voor de analyses van het aantal cellen. Dit onderzoek werd ondersteund door subsidies van EMBO (Installatiesubsidie ​​aan GU) en de Wetenschappelijke en Technologische Onderzoeksraad van Turkije (Projectnr.: 121K260).

Referenties

Alleva, E., en Santucci, D. (2001). Psychosociale versus "fysieke" stresssituaties bij knaagdieren en mensen: rol van neurotrofines. Fysiologie en gedrag, 73(3), 313–320.https://doi.org/10.1016/S0031-9384(01)00498-X

Anyan, J., en Amir, S. (2018). Te depressief om te zwemmen of te bang om te stoppen? Een herinterpretatie van de gedwongen zwemtest als maatstaf voor angstachtig gedrag. Neuropsychopharmacol. 43, 931-933.https://doi.org/10.1038/npp.2017.260

Ashokan, A., Hegde, A., Balasingham, A., en Mitra, R. (2018). De woonomgeving beïnvloedt stressgerelateerde hippocampale substraten en depressieachtig gedrag. Hersenonderzoek, 1683, 78–85.https://doi.org/10.1016/j.brainres.2018.01.021

Augustsson, H., Lindberg, L., Höglund, AU, & Dahlborn, K. (2002). Mens-dier interacties en dierenwelzijn bij conventioneel en in pen gehuisveste ratten. Laboratoriumdieren, 36(3), 271–281.https://doi.org/10.1258/002367702320162388

Beale, KEL, Murphy, KG, Harrison, EK, Kerton, AJ, Ghatei, MA, Bloom, SR, & Smith, KL (2011). Nauwkeurige meting van lichaamsgewicht en voedselinname bij mannelijke Wistar-ratten die verrijkt zijn met het milieu. Obesitas, 19(8), 1715–1721.https://doi.org/10.1038/oby.2010.331

Bell, JA, Livesey, PJ, en Meyer, JF (2009). Omgevingsverrijking beïnvloedt het overlevingspercentage en verbetert de verkenning en het leren, maar veroorzaakt variabele reacties op het radiale doolhof bij oude ratten. Developmental Psychobiology, 51(7), 564–578.https://doi.org/10.1002/dev.20394 (Engelstalig)

For more information:1950477648nn@gmail.com