Дослідження добової варіації та статевих відмінностей у нейрофізіології гіпокампу та просторовій пам’яті. Частина 3

Щоб дослідити різницю між статтю та часом доби, ми стратифікували наш набір даних на основі області передньо-задньої осі з подальшим тристороннім факторним дисперсійним аналізом. Ми виявили, що секс не має суттєвого впливу на кілька потенціалів дії, створюваних у відповідь на ін’єкції деполяризуючого струму в клітинах, зареєстрованих з переднього (p=0.321, основний ефект статі, тристоронній RM-ANOVA) або заднього зрізів (p=0.568, основний ефект статі, тристоронній RM-ANOVA); таким чином, дані обох статей були об’єднані для остаточного аналізу.

Пам'ять - дуже важлива частина нашого життєвого шляху. Ми не тільки покладаємося на пам’ять, щоб отримати нові знання, але вона нам також потрібна, щоб допомогти нам вирішувати проблеми та приймати рішення.

Однак наше розуміння механізмів недостатнє. Клітини є основними будівельними блоками нашого тіла, тож як вони пов’язані з пам’яттю? Клітини відіграють важливу роль у пам'яті.

По-перше, внутрішньоклітинна передача сигналів є основою нашої пам’яті. Під час пам’яті та навчання нервові клітини змінюють зв’язок між нейронами, утворюючи нові нейронні мережі. Ця зміна здійснюється за допомогою нейромедіаторів, включаючи нейромедіатори та нейропептиди. Нейромедіатори та нейропептиди переносять цю інформацію через синапси до клітин-мішеней. Тому внутрішньоклітинна передача сигналу є важливою частиною нашого процесу навчання та пам’яті.

По-друге, якість і кількість клітин також можуть впливати на нашу пам'ять. Якщо в нашому тілі недостатньо клітин, ми відчуваємо втому і маємо слабку пам’ять. Крім того, дослідження показують, що стан харчування клітин також може впливати на навчання та пам’ять. Результати нових досліджень показують, що продукти, що містять омега-3 жирні кислоти, можуть покращити якість і кількість нервових клітин.

Крім того, наші клітини також можуть впливати на пам'ять через фізичні рухи. Вправи можуть сприяти новому поколінню нервових клітин, тим самим покращуючи нашу пам’ять. Під час фізичних навантажень вивільняються нейротрофічні фактори — речовини, які стимулюють регенерацію нервових клітин і формування синаптичних зв’язків.

Підсумовуючи, клітини є основою нашої пам’яті, і на них впливає наше повсякденне життя. У нашому повсякденному житті ми можемо сприяти покращенню пам’яті, уникаючи куріння та зловживання алкоголем, дотримуючись здорового способу життя, вживаючи продукти, що містять омега-3 жирні кислоти, і займаючись відповідними фізичними вправами, що робить наші спогади чіткішими та щасливішими. Видно, що нам потрібно вдосконалювати пам'ять. Cistanche deserticola може значно покращити пам'ять, оскільки Cistanche deserticola є традиційним китайським лікарським матеріалом з багатьма унікальними ефектами, одним із яких є покращення пам'яті. Ефективність м’ясного фаршу пов’язана з різними активними інгредієнтами, які він містить, включаючи кислоти, полісахариди, флавоноїди тощо. Ці інгредієнти можуть сприяти здоров’ю мозку різними способами.

Клацніть знати добавки для покращення пам'яті

Передні клітини, зареєстровані вночі, генерували більше потенціалів дії, ніж ті, що реєструвалися вдень (p=0.046, основний ефект часу доби, двосторонній RMANOVA; рис. 7B). Однак задні клітини не показали статистичної різниці день-ніч у кількості активованих потенціалів дії (p=0.484, основний ефект часу доби, двосторонній RM-ANOVA; рис. 7E).

Дослідження базового мембранного потенціалу не виявило відмінностей у статі чи часі доби в клітинах, записаних із передніх зрізів (p=0.572 і 0.535, основні ефекти статі та часу доби , відповідно, двосторонній ANOVA; рис. 7C). Проте мембранні потенціали клітин, зареєстровані із задніх зрізів вночі, були більш деполяризованими, ніж зареєстровані вдень, незалежно від статі (p= 0.044, основний ефект часу доби, двосторонній ANOVA; рис. .7F).

Ми перевірили 15 додаткових властивостей мембрани, включаючи властивості потенціалу дії одиничного потенціалу дії, викликаного ін’єкцією реобазного струму, провисанням і вхідним опором (таблиця 1). Спостерігався значний вплив часу наростання потенціалу сексуальної дії в передніх нейронах (чоловічі: 0.295 6 0.01 мс, жіночі: 0.275 6 0.01 мс; p=0.047, двосторонній ANOVA). Жоден інший параметр не досяг статистичної значущості (таблиця розширених даних 1-1).

З огляду на те, що активація потенціалу дії та мембранний потенціал є показниками збудливості нейронів, ми можемо зробити висновок, що нейрони піраміди СА1 по всьому контуру гіпокампу загалом більш збудливі вночі, але механізми, що лежать в основі цього підвищення збудливості вночі, можуть змінюватися по передньо-задній осі гіпокампу.

Різниця між денно-нічними показниками збудливості пірамідних нейронів CA1 не є внутрішньою

Оскільки спостережувана денно-нічна зміна збудливості могла бути зумовлена ​​синаптичними та/або внутрішніми факторами, ми знову оцінили збудливість в окремій когорті тварин у присутності синаптичних антагоністів (CPP, NBQX, GBZ), щоб ізолювати пірамідний нейрон CA1 від ланцюга. За цих умов ми не виявили значного впливу часу доби на кількість потенціалів дії, що генеруються у відповідь на ін’єкції деполяризуючого струму в клітинах, зареєстрованих як з переднього, так і з заднього зрізів (p=0.933 для переднього та p { {6}}.569 для заднього, основного ефекту часу доби, двостороннього RM-ANOVA; рис. 8A, D).

Крім того, базові потенціали за цих умов не зазнавали впливу часу доби чи статі в клітинах, зареєстрованих з обох передніх клітин (p=0.896 і 0.888, основний вплив статі та часу день, відповідно, двосторонній ANOVA; рис. 8B) або задні зрізи (p {{10}}.999 і 0,702, основний ефект статі та часу доби, відповідно, двосторонній ANOVA; рис. 8E). Було досліджено додаткові властивості мембрани в присутності синаптичних антагоністів, у тому числі властивості потенціалів дії одиничних потенціалів дії, викликаних ін’єкцією реобазного струму, спадом і вхідним опором (Таблиця 2).

Гіперполяризація як швидкого, так і середнього потенціалу дії (fAHP і mAHP) була більшою вдень (fAHP: 5.776 0.74 мВ, мAHP: 9.296 0.65 мВ), порівняно з ніччю в передній нейрони (fAHP: 4.08 6 0.51 мВ, мAHP: 7.06 6 0.59 мВ; p=0.044 і 0,024 для fAHP і mAHP, двосторонній ANOVA; Таблиця 2). У передніх нейронах fAHP був вищим у чоловіків (5.827 6 0.56 мВ) порівняно з жінками (3.98 6 0.58 мВ; p=0.034, двофакторний ANOVA; Таблиця 2). Жодні інші параметри ні в передньому, ні в задньому нейронах не досягли статистичної значущості (таблиця ExtendedData 1-1).

Загалом, відсутність підвищеної нічної збудливості нейронів (мембранний потенціал і частоти збудження потенціалу дії) у присутності синаптичних антагоністів свідчить про те, що добові відмінності у швидкому збудливому та/або гальмівному синаптичному вході принаймні частково сприяють нічному посиленню збудливості.

Обговорення

Тут ми досліджували вплив статі та часу доби на численні аспекти фізіології гіпокампу, від поведінки до фізіології окремих нейронів. Ми демонструємо, що час доби впливає на просторове навчання та пам’ять, величину LTP, синаптичне гальмування пірамідних нейронів CA1 і збудливість пірамідних нейронів CA1. Ми виявили, що секс найбільше вплинув на різницю між денними та нічними характеристиками OLM, тоді як його вплив на синаптичну передачу, величину LTP і збудливість нейронів був незначним або відсутнім зовсім. Крім того, ми виявили, що положення вздовж передньо-задньої осі значно впливає на збудливість пірамідних нейронів CA1. Ці результати ілюструють складність мережі гіпокампу та важливість урахування таких факторів, як стать і час доби в майбутніх дослідженнях.

У той час як циркадні ритми регулюють LTP і залежне від гіпокампу навчання і пам’ять, роль добових відмінностей у цих процесах раніше була невідома. Дивно, але ми виявили, що циркадні ритми регулюють залежну від гіпокампа продуктивність пам’яті залежно від статі. Миші-самці краще виконували завдання OLM вночі, як повідомлялося раніше (Takahashi та ін., 2013; Snider та ін., 2016). Femalemic, однак, показали кращі результати протягом дня. Незрозуміло, чому самки мишей працюють краще під час свого неактивного періоду, але можливим поясненням може бути цикл тічки, який не контролювався в цьому дослідженні.

У той час як для того, щоб зробити остаточні висновки про специфічний вплив естрального циклу на залежну від гіпокампу просторову пам’ять, потрібні додаткові дослідження самок, які перебувають у природному циклі, дослідження на щурах виявили, що самки в проеструсі та естрасі перевершували самки в діеструсі в розпізнаванні об’єктів і розміщенні об’єктів (Frye et al. ., 2007; Париж і Фрай, 2008). Дійсно, рівень естрогену справді впливає на виконання завдань пам’яті, залежних від гіпокампу, а введення екзогенного естрадіолу покращує виконання завдань, залежних від гіпокампу (Luine та ін., 2003; Li та ін., 2004; Phan та ін., 2012; Vedder та ін., 2013, 2014; Тушер та ін., 2015). Розуміння того, як естральний цикл і циркадний цикл зближуються для модуляції пізнання у жінок, буде цікавою та важливою темою для майбутніх досліджень.

Цікаво, що ми виявили, що ці статеві ефекти на добові відмінності в продуктивності OLM не поширювалися на добову регуляцію LTP, яка вважається клітинним корелятом навчання та пам’яті. Важливо відзначити, що час CT і ZT, використаний у двох експериментах, не повністю віддзеркалював один одного. Аналіз OLM проводився в середині суб’єктивних денних і нічних періодів у постійній темряві (CT 4 і CT 16), як адаптовано з (Snider et al., 2016), тоді як електрофізіологічні експерименти досліджувалися рано вдень і рано вночі в циклі LD (ZT 1–6 і ZT 12–18).

Тим не менш, це дещо несподіване відкриття може бути прикладом того, як той самий фізіологічний процес (LTP) можна використовувати для досягнення різних результатів залежно від контексту (чоловіки проти жінок). Крім того, хоча завдання OLM, яке ми вибрали, залежить від гіпокампу (Barker and Warburton, 2011); Навчання та пам'ять - це складні процеси, які можуть покладатися на численні системи пам'яті, і, можливо, жінки більше покладаються на інші схеми, ніж чоловіки. Крім того, естральний цикл може впливати на стратегії навчання та відносний внесок різних жіночих ланцюгів пам’яті (Корол та ін., 2004).

Таким чином, залежні від статі ефекти, які спостерігаються в задачі OLM, можуть бути опосередковані механізмом, відмінним від LTP, у синапсі CA3-CA1. Також можливо, що використовувана високочастотна стимуляція, на відміну від більш фізіологічної стимуляції (тобто тета-сплеск), могла блокувати виявлення залежної від статі регуляції LTP. Додатковим обмеженням OLMassay, яке варто відзначити, є можливе порушення ритму поведінки внаслідок повторного використання (5 хв/день) 4 перед навчанням і тестуванням. Незважаючи на це, ці результати є прикладом важливості врахування статі та часу доби під час планування досліджень та інтерпретації результатів.

Попередня робота нашої лабораторії показала, що sIPSCsonto CA1 пірамідні нейрони демонструють добові відмінності, які втрачені в мишачій моделі хвороби Альцгеймера (Fusilier et al., 2021). Тут ми повторили та розширили попередні висновки, вивчивши sIPSCs в обох статей і провівши додаткові експерименти в присутності TTX (mIPSCs), щоб почати ідентифікувати пресинаптичні та постсинаптичні механізми, що сприяють добовим відмінностям. Відсутність добових відмінностей у mIPSC IEI свідчить про те, що залежне від потенціалу дії інгібування пірамідних клітин CA1 є більшим протягом дня, ніж вночі, як у самців, так і в самок мишей. Враховуючи, що ці інгібіторні струми були фармакологічно ізольовані за допомогою антагоністів глутаматних рецепторів, ймовірно, спонтанно генерується підвищена денна інтернейронна активність. Дійсно, попередні звіти свідчать про те, що деякі інтернейрони в області CA1 є спонтанно активними (Sik та ін., 1995; Maccaferri та McBain, 1996; Oliva та ін., 2000; Amilhon та ін., 2015; Huh та ін., 2016; Miri та ін. ., 2018); однак остаточних доказів добових коливань спонтанного активування інтернейронів у гіпокампі бракує, і це стане важливою областю майбутніх досліджень, які могли б дати розуміння циркадної дисфункції, пов’язаної із захворюваннями, що включають гіперзбудливість мережі гіпокампу, включаючи хворобу Альцгеймера та епілепсію.

На додаток до отримання гальмівного введення від локальних популяцій інтернейронів, основний збудливий вхід на пірамідні клітини СА1 надходить від аксонів головних нейронів нижньої області СА3 (колалатералі Шаффера; пірамідні клітини СА3) або енторінальної кори (темперамонійний шлях). Дослідження sEPSC показало, що тенденція до збудливого впливу на пірамідні клітини CA1 була більшою вночі, ніж удень. За відсутності залежного від потенціалу дії вивільнення нейромедіатора це явище зберігається у чоловіків, але не у жінок, що свідчить про те, що посилене нічне збудження у жінок, ймовірно, спричинене потенціалом дії. Пірамідні клітини СА3 також демонструють добові відмінності у збудливості, так що нічні клітини демонструють більший струм кальцію, знижену післягіперполяризацію та знижену адаптацію частоти спайків порівняно з денними клітинами (Kole et al., 2001). Ця підвищена нічна збудливість пірамідних клітин CA3 може призвести до збільшення sEPSC на пірамідних клітинах CA1 вночі порівняно з днем.

Далі ми хотіли дослідити, як добові варіації збудливої ​​та гальмівної синаптичної передачі можуть впливати на збудливість пірамідального нейрона CA1. Попереднє дослідження на щурах виявило, що збудливість мембран коливалася протягом циркадного часу, а нейрони були більш деполяризованими під час суб’єктивної ночі/суб’єктивного раннього дня (Naseri Kouzehgarani et al., 2020). Нещодавнє дослідження виявило підвищену нічну збудливість пірамідальних нейронів CA1 миші (Fusilier et al., 2021). Тут ми повторили попередні висновки та розширили наше дослідження, щоб врахувати потенційні статеві відмінності та вплив передньо-задньої осі гіпокампу. Загалом ми виявили, що в інтактному синаптичному ланцюзі (тобто без синаптичних антагоністів) пірамідні нейрони CA1 були більш збудливими вночі порівняно з днем, незалежно від статі. Цікаво, що нічне посилення збудливості не було рівномірним по передньо-задній осі гіпокампа. У той час як нейрони, записані з передніх зрізів, запускали більше потенціалів дії у відповідь на ін’єкції деполяризуючого струму та не демонстрували денної різниці в базовому мембранному потенціалі, задні нейрони були більш деполяризованими вночі, але не демонстрували статистично значущого нічного збільшення кількох активованих потенціалів дії.

Ці знахідки свідчать про те, що механізми, що лежать в основі нічного посилення збудливості нейронів, можуть відрізнятися залежно від розташування в передньо-задній осі. Хоча наш препарат коронального зрізу означав, що ми не змогли справді відокремити вентральний гіпокамп від дорсального гіпокампу, ми помітили, що нейрони задніх зрізів демонструють характеристики, що відповідають раніше опублікованим даним, зібраним для вентральних пірамідальних нейронів CA1, тоді як нейрони передніх зрізів узгоджуються з даними дослідження дорсальних пірамідальних нейронів CA1 ( Малік та ін., 2016; Міліор та ін., 2016). Зокрема, задні (вентральні) нейрони були більш збудливими порівняно з передніми нейронами, досягаючи максимальної швидкості запалювання раніше, ніж передні нейрони, мали вищий вхідний опір і нижчі значення реобази порівняно з передніми ( дорсально-подібні) нейрони. Враховуючи відомі відмінності в дендритній морфології та експресії іонних каналів індорзальних та вентральних нейронів гіпокампу (Bannermanet ін., 2004; Fanselow та Dong, 2010; Marcelin та ін., 2012; Dougherty та ін., 2012, 2013; Hönigsperger та ін., 2015; Kim and Johnston, 2015; Malik et al., 2016; Milioret al., 2016; Soltesz and Losonczy, 2018), не дивно, що механізми, що лежать в основі незбуджуваності добових різниць, можуть бути різними в цих популяціях. Відсутність відмінностей день-ніч у Збудливість нейронів у присутності синаптичних антагоністів свідчить про те, що синаптичні входи принаймні частково сприяють нічному посиленню збудливості. Проте необхідні майбутні експерименти, щоб визначити конкретну роль як синаптичних, так і внутрішніх факторів у регулюванні добових фізіологічних відмінностей пірамідних нейронів CA1.

Крім того, різниця між передніми та задніми клітинами була зменшена в присутності синаптичних антагоністів, що свідчить про те, що синаптичні фактори можуть бути принаймні частково відповідальними за деякі регіональні відмінності, які ми спостерігали. Буде цікаво звузити, як експресія та функція різних рецепторів нейромедіаторів та іонних каналів модулюється як у час доби, так і вздовж поздовжньої осі. Перевагою методу сліпих плям, який використовується в цьому дослідженні, є можливість збирати дані з нейронів, розташованих глибоко під поверхнею тканини, де здоров’я та життєздатність клітин є найбільшими, але візуалізувати націлювання на нейрони буде важко. Однак цей підхід забороняє націлюватися на конкретні субпопуляції нейронів. ; таким чином, у дослідження були включені пірамідні нейрони в усіх областях шару пірамідних клітин CA1. Майбутні дослідження, що вивчатимуть вплив часу доби та сексу в різних субпопуляціях пірамідальних клітин CA1 (наприклад, глибокі та поверхневі нейрони), будуть інформативними для розуміння фізіології клітинного типу.

Гіпокамп є одним із найбільш вивчених і добре охарактеризованих ланцюгів у мозку ссавців. Проте більшість відомостей про те, як функціонує цей контур, базуються на дослідженнях, проведених протягом дня на переважно самцях нічних гризунів. Неврахування таких факторів, як час доби та стать, призводить до неповної картини фізіології гіпокампу та того, як він динамічно функціонує в різних контекстах. Стать і час доби є особливо важливими міркуваннями для трансляційної релевантності вивчення гіпокампу на моделях таких захворювань, як хвороба Альцгеймера або епілепсія, на які впливають циркадні ритми і можуть по-різному впливати на чоловіків і жінок.

Важливо відзначити, що, за винятком експериментів з тестування OLM, усі експерименти в цьому дослідженні проводилися в циклі світло-темрява. Тому необхідні майбутні дослідження в постійних умовах, щоб визначити роль циркадної системи в спостережуваних добових відмінностях. Хоча тут розглядалися лише дві точки часу, у майбутніх дослідженнях буде цікаво та корисно визначити, як фізіологія гіпокампа є динамічною в різних точках часу в циркадному циклі. На завершення це дослідження розкриває добові варіації синаптичної та нейронної функції гіпокампа та підкреслює важливість урахування статі, циркадних ритмів і нейронної гетерогенності в області мозку під час вивчення нейронних кіл.

Список літератури

Amilhon B, Huh CYL, Manseau F, Ducharme G, Nichol H, Adamantidis A, Williams S (2015) Інтернейрони парвальбуміну гіпокампу налаштовують активність населення на частоту тета. Нейрон86:1277–1289.

Bannerman DM, Rawlins JNP, McHugh SB, Deacon RMJ, Yee BK, Bast T, Zhang WN, Pothuizen HHJ, Feldon J (2004) Регіональні дисоціації в гіпокампі – пам’ять і тривога. NeurosciBiobehav Rev 28:273–283.

Barker GRI, Warburton EC (2011) Коли гіпокамп бере участь у пам’яті розпізнавання? J Neurosci 31:10721–10731.

Окрім RC, Rogers CO, Paul JR, Hablitz LM, Johnson RL, McMahonLL, Gamble KL (2017) активність GSK3 регулює ритми в експресії генів годинника гіпокампа та синаптичну пластичність. Гіпокамп 27:890–898.

Buijs RM, Soto Tinoco EC, Hurtado Alvarado G, Escobar C (2021) Циркадна система: від годинників до фізіології. Handb ClinNeurol 179:233–247.

Cao G, Nitabach MN (2008) Циркадний контроль збудливості мембрани в бокових вентральних нейронах годинника Drosophila melanogaster. JNeurosci 28:6493–6501.

Chao OY, Huston JP, Nikolaus S, de Souza Silva MA (2016) Одночасна оцінка пам’яті для об’єкта та місця: докази різної переваги периринальної кори та гіпокампу та прогностичного ефекту агоніста нейрокініну-3 R. Neurobiol Learn Mem 130:149–158.

Chaudhury D, Wang LM, Colwell CS (2005) Циркадна регуляція довгострокового потенціювання гіпокампу. J Biol Rhythms 20:225–236.

Colwell CS (2021) Визначення циркадних порушень у нейродегенеративних розладах. J Clin Invest 131:e148288.

Кук Р.Л., Келсо Н.Е., Брамбек Б.А., Чен Х (2016) Аналітичні стратегії для оцінки зв’язку різного за часом впливу з наслідками, пов’язаними з ВІЛ: вживання алкоголю як приклад. Curr HIVRes 14:85–92.

Davis JA, Paul JR, McMeekin LJ, Nason SR, Antipenko JP, YatesSD, Cowell RM, Habegger KM, Gamble KL (2020) Дієти з високим вмістом жиру та сахарози погіршують різницю часу доби в просторовій робочій пам’яті самців мишей. Ожиріння (Silver Spring) 28: 2347–2356.

For more information:1950477648nn@gmail.com