Часова витривалість переваг, спричинених фізичними вправами, на залежну від гіпокампу пам’ять і синаптичну пластичність у самок мишей. Частина 1

Анотація

Вправи сприяють нейрогенезу гіпокампа та нейропластичності, що, у свою чергу, сприяє когнітивним функціям. Наші попередні дослідження продемонстрували, що у мишей-самців добровільні вправи дають змогу навчатися залежно від корабляпокампусу в умовах, які зазвичай є підпороговими для формування довгострокової пам’яті у сидячих тварин. Таке покращення когнітивних здібностей може зберігатися протягом тривалого часу після припинення фізичних вправ, і його можна відновити наступним підпороговим сеансом фізичних вправ, що свідчить про те, що переваги, викликані фізичними вправами, є тимчасово динамічними.

Нейропластичність відноситься до здатності нейронів постійно адаптуватися до зовнішніх стимулів і внутрішньої діяльності. Ця здатність відіграє вирішальну роль у формуванні та збереженні пам’яті. Тим не менш, нейропластичність тісно пов’язана з пам’яттю.

Нейропластичність відбувається через синаптичні зв'язки між нейронами. Коли ми отримуємо щось нове, зв’язки між нейронами в мозку змінюються, утворюючи нові синаптичні зв’язки. Цей процес вимагає багаторазової практики та повторення, щоб створити довгострокові та стабільні синаптичні зв’язки. Тільки цей тривалий синаптичний зв'язок може впливати на пам'ять і зберігати її.

Нейропластичність також змінюється з віком і досвідом. Нейропластичність дуже потужна, коли ми молоді, і мозок може формувати нові синаптичні зв’язки дуже швидко, коли ми дізнаємося щось нове. Але з віком нейропластичність зменшується, а це означає, що вивчати нову інформацію стає важче. Однак, якщо ми зберігаємо позитивне ставлення, готовність і звичку активно вивчати нове, ми все ще можемо підтримувати певний рівень нейропластичності. Це означає, що ми можемо продовжувати вчитися та розвиватися, покращуючи свою пам’ять та інтелект.

Підсумовуючи, нейропластичність і пам’ять тісно пов’язані. Збереження позитивного настрою та звички активно вивчати нові знання може допомогти нам підтримувати хорошу нейропластичність, тим самим досягаючи кращої пам’яті та інтелекту. Давайте невпинно навчатися, зберігати позитивний настрій і постійно вдосконалювати свої здібності та якості. 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 дізнатися про 10 способів покращити пам’ять

У жінок ступінь, до якої можна зберегти переваги фізичних вправ, і механізми, що лежать в основі цього збереження, ще не визначені. Тут ми розглянули параметри вправ, необхідні для початку та підтримки переваг вправ у самок мишей C57BL/6J. Використовуючи підпорогову версію завдання, що залежить від гіпокампу, яке називається завданням пам’яті розташування об’єкта (OLM), ми показуємо, що 14d добровільних вправ дозволяє навчатися в підпорогових умовах у самок мишей. Після початкових вправ 7-денна затримка сидячого життєдіяльності призводить до зниження продуктивності, яку можна відновити, коли тварини отримують 2-денні активаційні вправи після сидячої затримки.

Оцінка естрального циклу показує посилену рухову активність під час фази тічки порівняно з фазою діеструсу, тоді як фаза тічки під час навчання або тесту не вплинула на продуктивність OLM. Використовуючи ті самі параметри вправ, ми демонструємо, що 14 днів вправ посилюють довготривалу потенціацію ( LTP) в області CA1 гіпокампу, ефект, який зберігається протягом усієї затримки сидіння та після сеансу реактивації. Попередні дослідження запропонували посилення регуляції BDNF під час фізичних навантажень як механізм, що лежить в основі опосередкованих фізичними вправами переваг синаптичної пластичності та пізнання.

Проте наша оцінка експресії мРНК Bdnf в гіпокампі після відновлення пам’яті не виявила різниці між умовами фізичного навантаження та контролем, що свідчить про те, що постійна регуляція Bdnf може не потрібна для підтримки переваг, спричинених фізичними вправами. Разом наші дані вказують на те, що 14 днів добровільних вправ можуть ініціювати тривалу користь для нейропластичності та когнітивних функцій у самок мишей, встановлюючи перші докази тимчасової витривалості переваг, спричинених вправами, у самок.

Ключові слова

фізичні вправи; навчання; Привітppocampus; Синаптична пластичність; BDNF; Естральний цикл.

1. Введення

Вплив фізичних вправ на підтримку та підтримку здоров’я мозку добре задокументовано. У мозку гіпокамп має вирішальне значення для навчання та формування пам’яті, оскільки порушення цієї структури мозку призводить до погіршення пам’яті (Packard & McGaugh, 1996; Riedel et al., 1999; Scoville & Milner, 1957). Таким чином, аномальні морфологічні та функціональні зміни в гіпокампі пов’язані з когнітивними порушеннями, пов’язаними зі старінням і хворобливими станами (Bettio et al., 2017).

Дослідження як на людях (ten Brinkeet, 2015; Erickson та ін., 2011; Pajonk та ін., 2010; Teixeira та ін., 2018), так і на моделях тварин (Cooper та ін., 2018; Neeper та ін., 1996; O'Callaghan та ін., 2007; Van Praag, 2008) продемонстрували вплив фізичних вправ на підтримку структурної та функціональної цілісності гіпокампу, припускаючи, що фізичні вправи є ефективним немедикаментозним втручанням для когнітивних порушень як у фізіологічних, так і в патологічних станах (Intlekofer & Cotman, 2013; Lauretta та ін., 2021; Liu та ін., 2011; Muscari та ін., 2010).

Незважаючи на численні дослідження благотворного впливу фізичних вправ і взаємозв’язку між гіпокампом і когнітивними функціями, мало що відомо про часову динаміку переваг, викликаних фізичними вправами. Тобто, яка тривалість вправ необхідна для посилення функції гіпокампа, і як довго ці переваги зберігаються після припинення вправ?

Ще менше досліджень намагалися дослідити молекулярні механізми, що лежать в основі збереження переваг, викликаних фізичними вправами. З огляду на те, що режими фізичних вправ у людей є менш жорсткими та послідовними, ніж ті, що використовуються в дослідженнях на тваринах (Lee & Skerrett, 2001), важливо розробити протоколи фізичних вправ, які є гнучкими та не вимагають щоденних тренувань, але все ще можуть активізувати та підтримувати спричинені фізичними вправами когнітивні функції. переваги. У дослідженнях на тваринах важко визначити мінімальну тривалість вправ, необхідну для початку та збереження переваг від вправ через значну варіативність протоколів вправ, які використовуються в дослідженнях (Loprinzi та ін., 2019). Отже, залишається важливим досліджувати поріг фізичних навантажень, який викликає та підтримує когнітивні переваги та основні механізми.

Вправи сприяють нейропластичності, нейрогенезу, а згодом і механізмам навчання та пам’яті, які індукують нейротрофічну дію нейротрофічного фактора, отриманого з мозку (BDNF) у гіпокампі (Аломарі та ін., 2013; Котман та ін., 2007; Котман і Берхтольд, 2002; Дінг et al., 2011; Triviño-Paredes et al., 2016; Van Praag, Christie, et al., 1999; Van Praag, Kempermann, et al., 1999). Як у самок, так і у самців гризунів, вправи покращують поведінкові показники в широкому спектрі завдань пам’яті, включно з завданнями, орієнтованими на простір, що базуються на гіпокампі: водний лабіринт Морріса (MWM), пам’ять об’єкта-локації (OLM) і радіальний лабіринт на додаток до інших завдання пам’яті на основі гіпокампу, такі як контекстне обумовлення страху, пасивне уникнення та розпізнавання нових об’єктів (Intlekofer та ін., 2013; Lambert та ін., 2005; O'Callaghan та ін., 2007; Van Praag, Christie та ін., 1999; Ван Прааг, Кемперман та ін., 1999; Вівар, Поттер і Ван Прааг, 2012).

На самцях гризунів, наші та інші дослідження виявили, що мінімальна тривалість фізичних вправ становить 2 тижні, щоб отримати переваги в навчанні та пам’яті, які можна підтримувати протягом періоду бездіяльності та повторного залучення шляхом повторного введення короткого підпорогового 2-го сеансу вправ (Berchtold et al. ін., 2010; Батлер та ін., 2019; Інтлекофер та ін., 2013). На молекулярному рівні 2 тижні фізичних вправ викликають регуляцію білка нейротрофічного фактора, отриманого з гіпокампа, у самців щурів (Berchtold et al., 2005).

Після падіння підвищених рівнів BDNF до вихідного рівня наступне повторне введення в коротку підпорогову 2-денну сесію вправ може знову сприяти підвищенню рівнів BDNF в гіпокампі (Berchtold et al., 2005). Це свідчить про те, що регуляція BDNF, опосередкована фізичними вправами, є потенційним механізмом, який ініціює тривалі зміни нейронів, щоб дозволити стимулу з нижчою частотою фізичних вправ використовувати ці адаптації та сприяти когнітивним перевагам.

Передача сигналів BDNF сприяє механізмам, залежним від синтезу білка, для індукування довготривалої потенціації гіпокампа (LTP), клітинного кореляту навчання та пам’яті (Panja & Bramham, 2014; Silva, 2003). Таким чином, припускають, що підвищення LTP гіпокампа після фізичних вправ лежить в основі навчання за допомогою вправ (L. Bettio et al., 2019; Liuet al., 2011). Наскільки нам відомо, досі жодне дослідження не досліджувало, чи зберігається посилення LTP після припинення фізичних вправ у обох статей. Декілька досліджень продемонстрували, що фізичні вправи ефективно підвищують LTP у зубчастій звивині (Farmer та ін., 2004; Van Praag, Christie та ін., 1999; Vasuta та ін., 2007), однак існує дивовижна нестача досліджень, які вивчають, як фізичні вправи модулює синаптичну пластичність у підполі CA1 (Cotman et al., 2007), яке є найбільш дослідженою областю в гіпокампі в контексті просторової пам’яті (Patten et al., 2015). Отже, зв’язок між фізичними вправами та пластичністю CA1 ще належить дослідити.

Кілька досліджень підтвердили гіпотезу про те, що користь від фізичних вправ є тимчасово динамічною (Berchtold та ін., 2005, 2010; Батлер та ін., 2019; YP Kim та ін., 2003). Що стосується самок, то наше розуміння цього процесу менш помітне, оскільки більшість досліджень в основному проводилася на самцях. Дослідження навчання та пам’яті надали докази того, що подібні поведінкові результати між статями можуть включати різні нейронні механізми (Becker & Koob, 2016; Keizer & Wood, 2019; Sase et al., 2019). Незважаючи на дані, які вказують на те, що фізичні вправи покращують нейропластичність і когнітивні здібності в обох статей, є чіткі докази статево-специфічних ефектів фізичних вправ і основних механізмів.

Нелюди, фізичні вправи покращують пам’ять про розташування об’єктів у чоловіків, а не у жінок (Colemanet ін., 2018). У гризунів вправи вибірково покращують продуктивність однієї статі в певних завданнях пам’яті (Barha et al., 2017). На молекулярному рівні розподіл BDNF між численними структурами мозку та субобластями гіпокампу різний між статями (Bakos et al., 2009; Franklin & Perrot-Sinal, 2006). Накопичення доказів також підкреслило статеві відмінності у функціях і механізмах BDNF (Chan & Ye, 2017). Наприклад, репродуктивний гормон, естроген, може регулювати експресію BDNF за допомогою різних механізмів, один з яких включає епігенетичні модифікації промотора BDNF (Fortress et ін., 2014; Морено-Піовано та ін., 2014; Чан і Є, 2017).

Рівні протеїну BDNF в гіпокампі змінюються протягом естрального циклу, причому найбільша експресія спостерігається під час тічки та проеструсу, що свідчить про те, що коливання рівнів естрогену протягом естрального циклу у жінок по-різному впливають на експресію BDNF (Scharfman et al., 2003). Крім того, естральний цикл також може модулювати мішені, розташовані нижче за сигнальні шляхи BDNF в гіпокампі (Spencer et al., 2008; Spencer-Segal et al., 2011). Експресія кількох генів, залучених до функції гіпокампу, також зазнає динамічних змін протягом естрального циклу (Iqbal et al., 2020). У сукупності ці дані підкреслюють необхідність розглядати переваги фізичних вправ окремо для жінок і чоловіків.

Оскільки наше попереднє дослідження встановило поріг фізичних навантажень, який залучає та підтримує покращену фізичними вправами когнітивну функцію мишей-самців (Butler et al., 2019), ми використали ту саму парадигму фізичних вправ, щоб дослідити часову динаміку переваг, викликаних фізичними вправами, у самок мишей. У цьому дослідженні ми демонструємо, що у самок мишей 14d добровільних вправ забезпечує формування довгострокової пам’яті в підпорогових умовах запам’ятовування місця розташування об’єкта (OLM). Подібно до чоловіків (Butler et al., 2019), переваги, спричинені початковими фізичними вправами, зберігаються протягом 7-денного періоду сидячого життєдіяльності та можуть бути повторно задіяні шляхом короткого 2-денного періоду активних вправ, щоб уможливити формування довгострокової пам’яті за підпорогових умов придбання.

На продуктивність OLM не впливали фази естрального циклу під час навчання чи тестування. Проте активність добровільного бігу посилювалася під час фази тічки. Крім того, ми демонструємо, що фізичні вправи посилюють LTP в області CA1 гіпокампу у жінок, і цей ефект зберігається навіть після періоду затримки сидячого життєдіяльності, встановлюючи перші докази тимчасової витривалості нейропластичності, спричиненої фізичними вправами, у жінок. На наш подив, оцінка експресії BDNF в гіпокампі після відновлення пам’яті не виявила різниці між експериментальними групами, що свідчить про те, що постійна регуляція BDNF може не потрібна для підтримки когнітивних переваг, спричинених фізичними вправами.

2. Матеріали та методи

2.1. Тварини

Самок 8-тижневих мишей C57BL/6J (Джексонова лабораторія) утримували окремо в зрозумілих умовах (20° ± 1°; 70% ± 10% вологості; 12 годин: 12 годин цикл світла та темряви) і надавали оголошення необмежений доступ до їжі та води. Усі експерименти проводилися під час світлової фази. Усі експерименти проводилися відповідно до рекомендацій Національного інституту охорони здоров’я щодо догляду та використання тварин і були схвалені Інституційним комітетом з догляду та використання тварин Каліфорнійського університету в Ірвайні.

2.2. Лікування ЛФК

Мишей розділили на групи ({{0}}–0–0: n=8, 14–0–0: n=7, 14–7–0: n=8, 14–7–2; n=8) і окремо розміщені в клітках для вправ (обладнаних біговим колесом) або сидячих клітках (стандартна клітка ). Клітки для вправ виготовлені з полікарбонату розміром 9,3 дюйма × 13,9 дюйма × 7,7 дюйма (довжина × ширина × висота) і оснащені біговим колесом окружністю 40 см, діаметром 12,7 см (Lafayette Instruments).

Добровільний рух колеса контролювався за допомогою {{0}},110датчика/лічильника, підключеного до центрального інтерфейсу, підключеного до спеціального ПК за допомогою програмного забезпечення для моніторингу ScurryActivity (Lafayette Instruments). Параметри вправ складаються з початкового періоду вправ (0 або 14 днів), за яким слід сидяча затримка (0 або 7 днів), під час якої бігове колесо було видалено. Після цього періоду бездіяльності деяким мишам призначили реактиваційний сеанс вправ, який складався з двовимірного доступу до ходових коліс (див. рис. 1).

2.3. Ідентифікація стадії естрального циклу миші

Фази естрального циклу відстежували та контролювали приблизно в один і той же час (~10 ранку) щодня, починаючи з першого дня запуску колеса. Як візуальну оцінку, так і вагінальний мазок проводили один раз на день, як описано McLean et al. (2012) та Аджаї та Ахігбе (2020). За допомогою піпетки вологі плями з піхви відбирали в 5 мкл фізіологічного розчину.

Щоб запобігти ефекту псевдовагітності (Adler & Zoloth, 1970), наконечник піпетки був обережно розташований так, щоб він не проник у вагінальний отвір. Збірну рідину поміщали на предметне скло і сушили на повітрі при КТ. Коли мазок повністю висох, предметні скла пофарбували 0,1% кристалічним фіолетовим (McLean et al., 2012). Цитологічну оцінку проводили відповідно, щоб визначити фази естрального циклу (див. рис. 2E).

2.4. Підпорогове завдання пам’яті розташування об’єктів (OLM).

2.4.1. Обладнання. Допорогове 3-хвилинне завдання пам’яті розташування об’єктів (OLM) було виконано з використанням набору з 4 ідентичних камер. Кожна камера була виготовлена ​​з пластику білого кольору з розмірами 333 мм × 320 мм × 310 мм (довжина × ширина × висота) і містила Sani-Chips глибиною ~ 1 см (PJ Murphy Forest Products). Вертикальна матова чорна смужка була прикріплена до однієї сторони кожної камери, щоб служити просторовою навігацією. Кожен контекст був освітлений тьмяним жовтим світлом (~15 лк). Дослідницька поведінка була записана та оцінена в режимі офлайн за допомогою програмного забезпечення для відстеження ANY-maze (Stoelting Co.).

2.4.2. Експериментальний план — навчання OLM, тестування та аналіз проводилися, як описано Vogel-Ciernia та ін. (2015) з тривалістю збору, скоригованою до 3 хвилин, яка, як ми раніше продемонстрували, є підпорогом для кодування, що призводить до низької продуктивності як короткочасної, так і довготривалої пам’яті (Butler та ін., 2019; Intlekofer та ін., 2013; Malvaez та ін., 2013; McQuown та ін., 2011). Перед навчанням OLM мишей обробляли, а потім звикли до експериментального контексту. Мишей обробляли протягом 2 хвилин на день протягом 4 послідовних днів, причому останні 2 дні перекривали звикання. Звикання відбувалося протягом 6 днів, протягом яких мишей піддавали впливу експериментального середовища протягом 5 хвилин на день. Сеанси звикання були проаналізовані (для визначення пройденої відстані та швидкості) за допомогою програмного забезпечення аналізу поведінки ANY-maze. Зменшення активності протягом днів використовувалося як показник успішного звикання (додатковий рис. S1, S2). Незалежно від режиму вправ, бігові колеса були видалені ввечері перед навчанням OLM, щоб усунути безпосередній вплив бігу на колеса на поведінку.

Після звикання миші отримали 3-хвилинний сеанс збору даних, під час якого два ідентичні об’єкти (100- мл скляні склянки, наповнені цементом) були розміщені в різних місцях (місце A1, верхнє ліворуч, іон A2, верхнє праворуч). Предмети розташовували на відстані 9 см один від одного, 6 см від бічних стінок і 1 см від передньої стінки. Щоб оцінити довгострокову пам’ять, миші пройшли 5-хвилинний тест, 24 години після тренування, під час якого один знайомий об’єкт (врівноважений) перемістили в нове місце (розташування A3, внизу посередині), розташоване на 2,5 см від нижньої стінки. Було розглянуто дослідження об’єкта в романі (локація A3) проти знайомого/фіксованого місця (A1).

Дослідження оцінювалося лише тоді, коли головка миші вказувала на об’єкт і наближалася до 1 см або коли ніс торкався об’єкта. Загальний час дослідження реєструвався (t), а перевагу новому об’єкту виражали як індекс розрізнення (DI=( роман − знайомий) / (роман + знайомий) × 100%). Для навчальних сеансів об’єкт, призначений для переміщення під час тестового сеансу, використовувався як новий об’єкт, щоб можна було безпосередньо порівнювати навчальний і тестовий DI.

Миші, які досліджували<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