Ændret noradrenalintransmission efter rumlig læring svækker søvnmedieret hukommelseskonsolidering hos rotter

Den terapeutiske brug af noradrenerge lægemidler gør evalueringen af ​​deres virkninger på kognition af høj prioritet. Noradrenalin (NE) er en vigtig neuromodulator for en række kognitive processer og kan i høj grad bidrage til søvnmedieret hukommelseskonsolidering. NE-transmissionen svinger med adfærds- og/eller hjernetilstanden og påvirker associeret neurale aktivitet. Her vurderede vi virkningerne af ændret NE-transmission efter at have lært en hippocampus-afhængig opgave på neural aktivitet og rumlig hukommelse hos voksne hanrotter.

Flere og flere undersøgelser viser, at noradrenalin er tæt forbundet med hukommelsen. Noradrenalin er en neurotransmitter, der spiller vigtige roller i kroppen, hvoraf den ene er at fremme hukommelsesdannelse og -lagring.

Adrenalins hovedfunktion er at stimulere nervesystemet og øge koncentrationen og årvågenheden. Disse er karakteristika tæt forbundet med hukommelsen. Når vi er i en stresset situation, stiger adrenalinniveauet, hvilket sætter hjernen i en meget opmærksom tilstand og gør det lettere at huske vigtig information.

Derudover kan adrenalin have langsigtede effekter på hukommelsesdannelsen. Nyere forskning har fundet ud af, at når minder aktiveres gentagne gange, stiger epinephrinniveauet, hvilket hjælper med at forbedre hukommelsesbevarelse og vedholdenhed.

Ud over ovenstående effekter kan adrenalin også påvirke dannelsen og lagringen af ​​minder ved at påvirke interaktionen mellem neuroner i hjernen. Denne effekt kan fremme dannelsen og bevarelsen af ​​minder ved at regulere tilslutningen af ​​neurale netværk.

Sammenfattende har adrenalin et vigtigt forhold til hukommelsen. Vi bør bevare en positiv holdning og fokusere på at træne vores krop og hjerne for at øge adrenalinniveauet og derved forbedre vores hukommelse og kognitive evner. Det kan ses, at vi skal forbedre hukommelsen, og Cistanche deserticola kan forbedre hukommelsen markant, fordi Cistanche deserticola er et traditionelt kinesisk medicinsk materiale, der har mange unikke effekter, hvoraf en er at forbedre hukommelsen. Effektiviteten af ​​hakket kød kommer fra de forskellige aktive ingredienser, det indeholder, herunder syre, polysaccharider, flavonoider osv. Disse ingredienser kan fremme hjernens sundhed på forskellige måder.

Klik på Kend korttidshukommelse, hvordan du forbedrer

Vi administrerede clonidin (0,05 mg/kg, ip; n= 12 rotter) ellerpropranolol (10 mg/kg, ip; n= 11) efter hver af syv daglige læringssessioner på en 8-arm radial labyrint. Sammenlignet med saltvandsgruppen (n= 9) viste de lægemiddelbehandlede rotter lavere indlæringsrater. For at vurdere virkningerne af lægemidler på kortikal og hippocampus aktivitet, optog vi præfrontale EEG og lokale feltpotentialer fra CA1-underfeltet af den dorsale hippocampus i 2 timer efter hver læringssession eller lægemiddeladministration. Begge lægemidler reducerede signifikant antallet af krusninger i hippocampus i mindst 2 timer. En EEG-baseret søvnscoring afslørede, at clonidin fik søvnstarten hurtigere, mens den forlængede stillevågenheden.

Propranolol øgede aktiv vågenhed på bekostning af ikke-hurtige øjenbevægelser (NREM) søvn. Clonidin reducerede forekomsten af ​​langsomme oscillationer (SO) og søvnspindler under NREM-søvn og ændrede den tidsmæssige kobling mellem SO og søvnspindler. Således producerede farmakologisk ændring af NE-transmission en suboptimal hjernetilstand til hukommelseskonsolidering. Vores resultater tyder på, at post-learning NE bidrager til effektiviteten af ​​hippocampal-kortikal kommunikation, der ligger til grund for hukommelseskonsolidering.

Klinisk brug af noradrenerge lægemidler evaluerer deres virkninger på kognitive funktioner af høj betydning1,2. Clonidin og propranolol er blandt de mest almindeligt ordinerede lægemidler. Clonidin anvendes som et antihypertensivt og smertestillende middel, men er også ordineret til medicinering af søvnforstyrrelser og siden for nylig til behandling af ADHD og Parkinsons sygdom1,3,4. Propranolol bruges til behandling af flere kardiovaskulære tilstande og angst5.

På trods af de åbenlyse sundhedsmæssige fordele kan den farmakologiske ændring af noradrenalin (NE)-niveauer som en bivirkning svække patienternes kognitive evner. Den væsentlige rolle, som NE-transmission spiller for bevidst (eller 'online') informationsbehandling er veletableret2,6, 7.Tidligere undersøgelser har understreget vigtigheden af ​​NE også under ubevidste (eller 'fine') tilstande som søvn8-10, når de indlæringsinducerede molekylære, synaptiske og kredsløbsmodifikationer finder sted11. Under post-læringssøvn stabiliseres labile hukommelsesspor i starten via reaktivering af hukommelseskodende neurale repræsentationer i hippocampus (HPC) og integreres efterfølgende i neocortex til langtidsopbevaring12.

Det er blevet vist, at farmakologisk ændring af NE-niveau efter indlæring påvirkede hukommelseskonsolidering hos dyr13-18 og mennesker9,10,19,20. Desuden er adfærdsfarmakologiske undersøgelser i overensstemmelse med en faciliterende rolle for NE for synaptisk plasticitet21-25. På trods af omfattende beviser leveret af psykofarmakologi om rollen som NE for hukommelseskodning og konsolidering, er post-læringsdynamikken i NE-transmission ikke blevet systematisk karakteriseret. Nylige undersøgelser ved at overvåge NE-frigivelse ved en høj tidsmæssig opløsning i spontant opførende mus har yderligere forfinet tidligere arbejde og foreslået en rolle for NE-frigivelse for kontinuiteten af ​​ikke-rapideye-bevægelse (NREM) søvn og NREM-søvnmedieret hukommelseskonsolidering26,27

De neokortikale langsomme (~1 Hz) oscillationer (SO), thalamokortikale søvnspindler (10-16 Hz) og hippocampalripples (~150 Hz) er kendetegnene for NREM-søvn og er blevet identificeret som de vigtigste oscillationer, der muliggør søvnafhængigt systemniveau hukommelseskonsolidering28. Virkningen af ​​NE i tidsmæssigt koordineret aktivitet inden for et hukommelsesunderstøttende cortico-hippocampus-netværk er stadig utilstrækkeligt forstået11. Mikrodialysemåling af den præfrontale NE-frigivelse i rotten påviste en forbigående stigning ~ 2 timer efter lugtdiskrimination, mens blokering af de præfrontale -adrenoreceptorer efter indlæring forårsagede hukommelsessvigt29. I den dorsale HPC er aktivering af -adrenoreceptorer nødvendig for effektiv konsolidering af følelsesmæssig og rumlig hukommelse30,31. Både 1- og -adrenerge receptorer er involveret i dannelsen af ​​søvnspindler og hippocampus krusninger26,32,33. Tidligere har vi dokumenteret forhøjet aktivitet af de Locus Coeruleus (LC) noradrenerge neuroner under NREM-søvn efter indlæring34 og deres koordinerede fyring med SO35. I vores nylige undersøgelse viste vi, at hos bedøvede rotter modulerede LC-fasisk aktivering kortikal populationsdynamik i den tidsmæssige skala af en enkeltSO-cyklus. Endelig førte ændring af naturalistiske LC-aktivitetsmønstre under NREM-søvn til hukommelsesdefekt37,38.

I denne undersøgelse kædede vi en mangel på rumlig læring sammen med en ændret neural aktivitet i det hukommelsesunderstøttende netværk. For at ændre NE-transmission brugte vi clonidin og propranolol, to klinisk relevante lægemidler. Clonidin undertrykker affyringen af ​​LC-NE-neuronerne via aktivering af 2-adrenoreceptorer og reducerer NE-frigivelse fra LC-terminalerne39. Propranolol blokerer NE-transmissionen ved at binde sig til -adrenoreceptorer og efter gentagen behandling med en moderat dosis (< 40 mg/kg) inhibits the LC activity40,41. We report that the alteration of NE transmission during the post-acquisition period impaired spatial learning. The reduction of SO, sleep spindles, and hippocampal ripples together with the appearance of high voltage spike-and-wave patterns (HVS) was indicative of a pharmacologically induced switch to a brain state that was likely suboptimal for memory consolidation. Our results further support the view that NE transmission during NREM sleep importantly contributes to information processing within the thalamocortical and hippocampal-cortical networks, which are thought to mediate systems-level memory consolidation.

Resultater

Resultaterne blev opnået fra de voksne (300-400 g) Sprague-Dawley hanrotter (n=38) opdelt tilfældigt i tre lægemiddeltilstande (clonidin, propranolol og saltvand). Betingelserne for hver rotte og datainkluderingen/eksklusionen er anført i supplerende tabel S1.

Post-learning clonidin og propranolol forårsager rumlig hukommelsesmangel.

Vi trænede i alt 32 rotter på en rumlig hukommelsesopgave i løbet af syv daglige sessioner (fig. 1a; se Supplerende metoder for detaljer). Seksogtyve rotter blev implanteret med kroniske elektroder til overvågning af frontale EEG og lokale feltpotentialer (LFP) i hippocampus (se Metoder for detaljer). Yderligere 6 rotter var intakte (ikke-implanterede), men fulgte den samme trænings-/lægemiddelprotokol. Det er vigtigt, at der ikke var nogen forskel i indlæringshastigheden mellem de implanterede og ikke-implanterede rotter (Supplerende figur S1). Umiddelbart efter hver undervisningssession modtog rotter clonidin (0.05 mg/kg, ip; n=12), propranolol (10 mg/kg, ip; n=11 ), eller saltvand (1 ml/kg, ip; n=9). I den første (stoffri) læringssession var der ingen forskel mellem grupper af nogen adfærdsvariabel (Supplerende tabel S1). I løbet af indlæringen gik alle rotter aktivt ind i forskellige labyrintarme (fig. 1b) og indsamlede næsten alle belønninger i hvert forsøg (fig. 1c); dette adfærdsmønster indikerede ingen forskel mellem grupper i generel lokomotorisk aktivitet eller madmotivation. De fleste adfærdsvariable afspejlede indlæringsdynamikken. Nøjagtigheden af ​​opgavens udførelse blev gradvist stigende (gentagne mål ANOVA, F (3.7,106.6)=12.0, p<0.0001; Fig. 1d) with the between-group difference approaching a significance level (F (2,29)=3.33, p=0.05). The overall number of errors was significantly higher in the drug-treated rats (Fig. 1e). There was a significant effect of repetition (F (5,145)=11.0, p<0.001) and between-group difference by the number of errors (F(2,29)=7.34, p=0.003). The post-hoc comparisons confirmed a higher number of errors in the drug-treated groups (clonidine: p=0.031, propranolol: p=0.002; Bonferroni post-hoc comparisons vs. saline). Notably, propranolol-treated rats made the most errors during the first trial (Fig. 1f); the latter was indicative of a memory retrieval defect. To further explore the nature of spatial memory deficit, we split the errors into working memory (WM, re-entering the maze arm within a trial) and reference memory (RM, entering unbaited maze arm) errors. There was a significant between-group difference by both WM (F (2, 29)=8.0, p=0.002) and RM (F (2, 29)=5.0, p=0.014). The posthoc comparisons showed that drug-treated rats committed significantly more RM errors (Fig. 1g). Besides, the propranolol-treated rats also made more WM errors (Fig. 1g). Despite obvious spatial memory deficit at the early stages of learning, all rats reached a similar performance level by the end of the learning period (Fig. 1d,e). The trial time was decreasing (F (3.5, 102.4)=16.1, p<0.0001), yet equally in all groups (time: F (2,29)=0.43, p=656). Finally, we used the K-means cluster analysis to split rats according to their learning speed (see Methods for details). Indeed, individual rats learned the task at different rates (Fig. 1h). Remarkably, the proportion of 'slow' learners was much higher among the drug-treated rats (Fig. 1i).

Clonidin og propranolol undertrykker hippocampus krusninger.

Vi vurderede virkningerne af clonidin og propranolol på hippocampus krusninger som nøgleelementerne i hukommelseskonsolidering12. Retrospektiv analyse afslørede, at i 14 ud af 26 rotter, der oprindeligt blev implanteret og trænet i labyrinten, var krusningsdetektionen ikke pålidelig på grund af forskellige tekniske fejl. For at øge prøvestørrelsen blev EEG og hippocampus LFP'er derfor registreret fra yderligere 6 rotter, som blev behandlet med lægemidler, men ikke testet på temamaze (Supplerende figur S1). Således blev virkningerne af lægemidler på de hippocampale krusninger testet i 24 rotter (clonidin, n=8; propranolol, n=9 og saltvand, n=7; Supplerende tabel S1). Begge lægemidler reducerede bølgefrekvensen signifikant i mindst 2 timer efter injektion (F(2, 23)=13.27, p=0.0002; Fig. 2a–d). Klassificering af rotteadfærd i aktiv vågenhed (AW), stille vågenhed (QW) og NREM-søvn (se Metoder for detaljer) afslørede, at den mest udtalte effekt af begge lægemidler opstod under NREM-søvn sammenlignet med AW- og QW-episoder (tabel 1). Sammenlignet med saltvandsgruppen (n=7), varierede graden af ​​krusningsundertrykkelse under NREM-søvn nemlig fra 40,1 % til 91,3 % efter clonidin (n=8) og fra 2,3 % til 86 0,6 % efter injektion af propranolol (n=9). Bortset fra et slående fald i krusningshastigheden blev der ikke afsløret nogen lægemiddeleffekter på krusningens iboende egenskaber (amplitude: F(2, 23)=1. 12, p=0.34; potens: F(2, 23)=3.3, p=0.056; intra-ripple-frekvens: (F(2, 23){{ 45}}.40,p=0.11), bortset fra en længere krusningsvarighed efter clonidin (F(2, 23)=11.47, p=0.0004; Fig. 2d-f).

Virkninger af clonidin og propranolol på adfærdstilstanden og søvn-associerede EEG-oscillationer. Efter udelukkelsen af ​​ugyldige EEG-data (n{{0}} rotter), blev de EEG-baserede analyser udført ved hjælp af i alt 21 datasæt (clonidin, n=6; propranolol, n{{4} } og saltvand, n=6; Supplerende tabel S1). Ud over virkningerne på hippocampus befolkningsaktivitet påvirkede begge lægemidler mønsteret af spontan adfærd. Der var en forskel mellem grupper i den samlede tid brugt i hver adfærdstilstand (AW: F(2, 20)=4.09, p=0.034; QW:F(2, 20){{ 16}}.84, p=0.021; NREM: F(2, 20)=4.66, p=0.023). Specifikt i løbet af 2 timers observationsperiode efter injektion forlængede clonidin QW, mens propranolol forlængede AW og forkortede NREM-søvn (Supplerende figur S2). Ingen af ​​stofferne påvirkede den gennemsnitlige epokevarighed i nogen af ​​adfærdstilstandene (F(2, 20) ⩽ 2,57, p ⩾ 0,10 for alle). En mild beroligende effekt af clonidin blev afspejlet af hurtigere søvnbegyndelse (Supplerende figur S2).

Ydermere blev det præfrontale EEG påvirket på en lægemiddelspecifik måde (fig. 3a-c). Specifikt øgede clonidin sigma-effekten (10-16 Hz) under AW og QW, mens den reducerede den under NREM-søvn (fig. 3d-f). Desuden, under NREM-søvn hos lægemiddelbehandlede rotter, var delta (< 2 Hz) power was decreased and the power within the 5–7 Hz frequency range was increased due to the appearance of HVS (Fig. 3f). Te observed changes in the EEG power spectrum reflected drug-induced modulation of the oscillatory events like SO and sleep spindles (Figs. 3a–c and 4). In clonidine-treated rats, the SO was less frequent (Table 1) and of smaller amplitude (Supplementary Figure S3). There was no effect on the SO (half-wave) duration (F(2, 20)=2.55, p=0.11). The effect of clonidine on SO was almost immediate and lasted at least for 2 h (Fig. 4d). In clonidine-treated rats, the spindles were more frequent during AW and QW, while their occurrence was decreased during NREM sleep (Table 1). Notably, the effect of clonidine was delayed (Fig. 4h). Te spindle power was significantly decreased by clonidine (Supplementary Figure S3). No change was detected in the spindle length (F(2, 20)=0.08, p=0.92) or the intra-spindle frequency (F(2, 20)=1.09, p=0.36). Te clonidine-induced effects persisted across repeated drug treatments (Supplementary Figure S3). The SO and sleep spindles were unaffected by propranolol (Fig. 4d,h, and Supplementary Figure S3).

Vi vurderede derefter lægemiddeleffekten på den tidsmæssige kobling mellem SO og søvnspindler, et veletableret fænomen, der er blevet foreslået som en mekanisme for netværkskoordineringen, der ligger til grund for finkonsolidering42-44. Til dette formål valgte vi NREM-søvnepisoder og ekstraherede spindler, der fandt sted inden for ± 1,5 omkring den SO negative top. Samlet set var omkring 1/3 af spindlerne SO-koblede (F(2, 20)=1.03, p=0.38); dog er spindelgrupperingen omkring den SO negative top delt mellem grupperne (fig. 4i-l). Hos saltvand- og propranolol-behandlede rotter forekom spindlerne fortrinsvis langs den stigende fase af SO og nåede den maksimale ms efter den SO-negative top, mens spindlerne i clonidinbehandlede rotter grupperede sig omkring den SO-negative top (fig. 4l).

Endelig fremmede clonidinadministration HVS, transiente svingninger med høj amplitude, der sjældent forekommer indrug-frie forhold (tabel 1 og supplerende figur S4). Den første HVS viste sig så hurtigt som 8,4 ± 1,0 min (interval: 5,4 – 11,3 min) efter clonidininjektion, hvilket var meget tidligere end efter saltvand (24,6±2,3 min) (interval: 16,6 – 30,7 min) eller propranolol (27,6 ± 6,2 min) (interval: 7,7 – 62,2 min).

Bemærkelsesværdigt, i 5 ud af 6 (83,3 %) klonidinbehandlede rotter og 5 ud af 9 (55,5 %) propranolol-behandlede rotter blev HVS påvist under AW-tilstand, mens HVS var fraværende under AW i 5 ud af 6 saltvand -behandlede rotter. Hos clonidin-behandlede rotter var HVS-raten højere i løbet af den første time efter injektion, og denne effekt forblev på tværs af dage (Supplerende figur S4). Desuden øgede clonidin HVS-varigheden (Supplerende figur S4) og reducerede inter-HVS-frekvensen (F(2, 20)=7.94, p=0.003). HVS-effekten var upåvirket af clonidin (F(2, 20)=2.28, p=0.13). Der var ingen påviselige virkninger af propranolol på HVS (Supplerende figur S4).

Diskussion

I denne undersøgelse viste vi, at gentagen administration af clonidin (0,05 mg/kg, ip) og propranolol (10 mg/kg, ip) efter daglig eksponering for en 8-arm radial labyrint-opgave svækket rumlig hukommelseskonsolidering hos voksne hanrotter. Den rumlige hukommelsesmangel hos lægemiddelbehandlede rotter var tydelig i et højere antal WM- og RM-fejl. Tidligere undersøgelser pegede på en gavnlig effekt af NREM-søvn på WM, muligvis på grund af øget SO-aktivitet og potensering af præfrontale-autonome netværk45,46. Faktisk øges parasympatisk aktivitet under NREM-søvn og vil sandsynligvis fremme NE-frigivelsen fra LC via vagale input45. Tus, couleur-SOkobling under NREM-søvn35 kan muligvis understøtte næste dag præfrontalafhængig WM-ydeevne45. Vores resultater understøtter indirekte denne hypotese, da farmakologisk undertrykkelse af LC-NE-aktiviteten i post-læringsperioden faktisk kan have påvirket den præfrontale funktion, der er afgørende for WM-kapacitet. Den lavere nøjagtighed af rumlig hukommelse, der blev afspejlet i RM-fejl, indikerede virkningen af ​​lægemidler på den krusningsmedierede hippocampale kortikale kommunikation, en nøglekomponent i konsolideringen på systemniveau28. Endelig indikerede det stærkeste hukommelsesunderskud tidligt i indlæringen vigtigheden af ​​NE-transmission for finbehandling af nyligt modtaget information8-10.

En lavere indlæringsrate hos størstedelen af ​​lægemiddelbehandlede rotter var sandsynligvis relateret til ændret søvn-associeret hjerneaktivitet. Faktisk påvirkede farmakologisk ændring af NE-transmission den søvnassocierede neuraldynamik i de thalamocorticale og hippocampale netværk, der er impliceret i system-niveau hukommelseskonsolidering28. Specifikt reducerede begge lægemidler dramatisk forekomsten af ​​hippocampus krusninger, som menes at mediere stabiliseringen af ​​hukommelseskodende cellesamlinger12,47. Vores resultater viste, at den krusningsgenererende mekanisme kræver et optimalt niveau af NE, mens både øget og nedsat LC-NE-aktivitet er ugunstig for krusninger. Således kan den lægemiddelinducerede krusningsundertrykkelse i perioden efter indlæring forklare den rumlige hukommelsesmangel. Dette resultat stemmer overens med en indlæringsdefekt frembragt af elektrisk krusningsundertrykkelse48,49. Så vidt vi ved, er de noradrenerge virkninger på de hippocampale krusninger endnu ikke blevet karakteriseret i dyr, der opfører sig. Udover dets virkning på hippocampus krusninger, undertrykte clonidin, men ikke propranolol, SO og søvnspindler, hvilket er i overensstemmelse med eksisterende litteratur50,51; det ændrede også SO-spindelkoblingen.

Selvom en relativt kort (~2 timer) observationsperiode ikke tillod karakterisering af søvn/vågen cyklus, var lægemiddeleffekterne på det præfrontale EEG generelt i overensstemmelse med den eksisterende litteratur50,51. Vi observerede lægemiddelspecifikke effekter på søvn/vågen-mønsteret og EEG-effektspektret. Clonidin forårsagede nemlig slightsedation ved at accelerere søvnbegyndelsen og forlænge QW, mens propranolol øgede AW på bekostning af NREM-søvn. Begge lægemidler reducerede EEG-effekten inden for et lavt (<2 Hz) frequency range and increased 5–7 Hz power during NREM sleep due to the appearance of the HVSs; clonidine also reduced the sigma (10–16 Hz) power. The effects of clonidine were overall more pronounced, lasted for at least 2 h, and were consistent across daily injections. Of note, the aforementioned effects were observed during the dark (active) phase of the rat circadian cycle, while the drug-induced effects may differ during the light (inactive) phase as well as during the extended post-administration period.

Tidligere farmakologiske undersøgelser har gentagne gange vist, at modulering af NE-transmission efterlæring påvirkede hukommelsesstyrken13-15,18,29,52,53. Den højere LC-NE-aktivitet under årvågne tilstande har foranlediget forskning i dens rolle i online informationsbehandling6,7, mens rollen som noradrenerg modulering af hjernenetværket under lavvågenhedstilstande, såsom søvn, længe har været ude af fokus. Adskillige undersøgelser fremhævede vigtigheden af, at NE virker via -adrenoreceptorer30,31 for hippocampus-afhængig hukommelseskonsolidering10,37,38,54,55. Det er veletableret, at NE fremmer langsigtet synaptisk plasticitet21-25, som finder sted ofte. I vores tidligere undersøgelse rapporterede vi, at en relativ ro i LC-NE-neuronerne under NREM-søvn blev afbrudt af forbigående aktivitetsanfald, som var mere tilbøjelige til at opstå efter indlæring. Optogenetisk ændring af LC-aktiviteten under NREM-søvn svækkede rottens præstation på en hippocampus-afhængig hukommelsesopgave. To nylige undersøgelser ved at måle den kortikale NE-frigivelse demonstrerede LC-spindelkoblingen på den infra-slowtemporale skala.

Udover de post-læringsstigninger af noradrenerg aktivitet29,34, kan et tidsmæssigt koordineret engagement af LC-NE-neuronerne påvirke netværkene i nettet. Selvom den nøjagtige mekanisme, der styrer LC-aktivitetsdynamikken under søvn, er ukendt, eksisterer der tidsmæssige relationer mellem NE-niveauet og søvnassocierede oscillationer. Fødehastigheden af ​​LC-NE neuroner stiger under søvnspindler og falder før spindelens begyndelse57. Vi har tidligere påvist en tidsmæssig kobling mellem LC-NE neuronfyring og en fase af SO35.

I vores nylige undersøgelse af rotter under urethan-anæstesi viste vi, at fasisk LC-aktivering forlængede corticalstaten af ​​øget excitabilitet og øgede affyringshastigheden af ​​præfrontale neuroner36. Vi har tidligere rapporteret, at den krusningsudløste elektriske LC-stimulering producerede en rumlig hukommelsesdefekt, sandsynligvis på grund af interferens med det endogene LC-aktivitetsmønster. I vores nuværende undersøgelse påvirkede clonidin-induceret undertrykkelse af NE-frigivelse spindelgenereringsnetværket, hvilket sandsynligvis forstyrrede LC-spindelkoblingen. På trods af den kortikale oprindelse af SO påvirker de subkortikale input fra thalamus58 og neuromodulatoriske kerner59, herunder LC36,60, SO spatiotemporal dynamikken. Den NE-medierede modulering af SO-dynamikken bekræftes yderligere af de nuværende resultater. Specifikt viste vi, at clonidin undertrykte dannelsen af ​​SO, reducerede SO-amplituden og påvirkede SO-spindelkoblingen. SO-spindelkoblingsepisoder menes at indikere aktivering af læringsindhold, hvor koblingspræcisionen forudsiger den reaktiveringsstyrke, der er gavnlig for hukommelsen61-63. En tværregional tidsmæssig kobling, som er et nøgleelement i konsolideringen på systemniveau, kan således kræve et optimalt NE-niveau. Styrken af ​​SO-spindelen og spindel-rippel-koblingen kan afhænge af affyringsmønsteret af LC-NE-neuroner og tidspunktet for NE-frigivelse. Tidsmæssig og rumlig ændring af NEtransmission kan resultere i mindre effektiv behandling og hukommelsesmangler. Der er et presserende behov for yderligere at udforske de funktionelle implikationer af dette finjusterede tidsmæssige forhold mellem LC-NE neuronalfyring og søvnassocierede svingninger. Vigtigst er det, at triggerne for et koordineret udbrud af neuromodulatorisk aktivitet under søvn mangler at blive bestemt.

Samlet set tyder vores resultater på, at et optimalt niveau af NE er påkrævet for effektiv informationsbehandling af det. Akkumulerede eksperimentelle beviser og vores nuværende resultater understøtter det synspunkt, at NE-frigivelse under finestates fremmer både synaptisk og system-niveau konsolidering8,11. Ændringen af ​​NE-transmission påvirkede i det væsentlige alle thalamokortikale og hippocampale oscillationer involveret i hukommelseskonsolidering på systemniveau. De rigelige projektioner af LC-NE-neuronerne i hele hjernen64 giver NE flere måder at påvirke den koordinerede aktivitet inden for hukommelsesunderstøttende netværk, inklusive thalamocorticalen, præfrontal, og limbisk, hvor SO, søvnspindler og krusninger stammer fra12,65,66. Fremtidige undersøgelser skal udforske mere detaljeret de noradrenerge mekanismer, der ligger til grund for fremkomsten, vedligeholdelsen og reaktiveringen af ​​et hukommelsesunderstøttende netværk i stor skala.

På trods af de forskellige virkningsmekanismer har begge lægemidler vist sig at reducere LC-aktivitet. Især var den hæmmende virkning af clonidin in vitro stærkere på de hippocampale versus præfrontale fremspringende LC-NEneuroner68. Clonidin undertrykker hovedsageligt præsynaptisk NE-frigivelse via 2-adrenoreceptorer og propranolol blokerer NE-transmission via –adrenerge receptorer. Desuden kan propranolol hæmme NE-genoptagelse, forstærke NE-transmission ved 1-adrenoreceptorer og mindske dopaminerg transmission på grund af hæmning af katekolaminsyntese69; det kan også påvirke serotonerg transmission på grund af dets affinitet til centrale 5-HT-receptorer70. De konvergerende virkninger af to klinisk relevante noradrenerge lægemidler, på trods af deres indvirkning på forskellige adrenoreceptorer, tyder på, at farmakologisk ændret NE-transmission i løbet af post-læringsperioden kan interferere med tema-understøttende netværk og forårsage en kognitiv bivirkning af den terapeutiske brug af disse lægemidler.

Metoder

Vi brugte 38 Sprague-Dawley hanrotter (300 – 400 g, Charles Rivers Laboratories, Sulzfeld, Tyskland). Dyrefaciliteten havde miljøkontrollerede forhold: 12 timers lys/mørke-cyklus (lys slukket kl. 8:00), 20-23 graders temperatur og 40-60% luftfugtighed. Rotter blev anbragt i par eller individuelt og havde ad libitum adgang til mad og vand, bortset fra fødebegrænsning (~ 15 g foderpiller pr. rotte pr. dag) under indlæringsforsøget. Rottens vægt blev kontrolleret dagligt for at sikre, at den ikke var under 85 % af rottens vægt ved libitum. Alle forsøg blev udført i fuld overensstemmelse med Europa-Parlamentets direktiv 2010/63/EU, den tyske dyrevelfærdslov (TierSchG) og dyrevelfærdsforordningen om laboratoriedyr (TierSchVersV). Undersøgelsen blev gennemgået af den regionale dyrevelfærdskomité i henhold til §15 i den tyske dyrevelfærdslov (Kommission nach §15 des Tierschutzgesetzes), den etiske kommission (§15 TierSchG) og godkendt af statsmyndigheden (Regierungspräsidium, Tübingen, Baden-Württemberg , Tyskland, Referat 35, Veterinärwesen). Denne undersøgelse er udført af ARRIVE guidelines (https://arriveguidelines.org).

Kirurgi og elektrofysiologiske optagelser. De kirurgiske og registreringsprocedurer er blevet beskrevet i detaljer andetsteds 38,71. Kort fortalt blev en isofluranbedøvet rotte (5% til induktion, ~2% til vedligeholdelse) fikseret i en stereotaksisk ramme (David Kopf Instruments, Tujunga, CA) med en hovedvinkel justeret til nulgrader. Et lokalbedøvelsesmiddel (Lidocard 2%, B. Braun, Melsungen, Tyskland) blev injiceret subkutant før kraniotomier til elektrodeindsættelsen. Til elektroencefalogrammet (EEG) blev to rustfri stålskruer (0.86 mm i diameter) fastgjort over den præfrontale cortex og lillehjernen. To enkelt platin-iridium elektroder (FHC Inc., Bowdoin, ME) limet sammen med en 100 til 200 µm afstand mellem spidserne blev monteret på et hjemmelavet bevægeligt drev og implanteret i den dorsale HPC ( AP=-3,5 mm, L=2,0 mm, DV=2,0 mm). Onlinemonitorering af neural aktivitet sikrede nøjagtig målretning af CA1-området af den dorsale HPC under elektrodeimplantationen. Det bevægelige drev tillod yderligere justering af elektrodedybden for optimal bølgeoptagelse under labyrinttræning. Til elektromyografi (EMG) blev en sølvtrådselektrode indsat i nakkemusklen. En 3D-printet plastramme forbundet til et kobbernet til beskyttelse af elektrodetrådene og isolering fra elektrisk støj blev limet til kraniet. Kropstemperatur (~37 grader), hjertefrekvens og blodiltning (over 90%) blev overvåget. I løbet af 5-7 dage efter kirurgisk bedring blev rotter behandlet med et antibiotikum (10 mg/kg, ip, Baytril, Bayer) og smertestillende (5 mg/kg, ip, Rymadil, Zoetis).

Efter restitution efter operationen blev rotterne vænnet til soveboksen (sort plexiglas, 20×20×80 cm) og en kabelforbindelsesprocedure. Implantatet blev forbundet til Neuralynx Digital Lynx-opsamlingssystem (Neuralynx, Bozeman, MT) gennem et 32-kanalhovedstadie (Neuralynx, Bozeman, MT) og en specialfremstillet adapter (SSD10-SS- GS, Omnetic, Minneapolis, MN). Et bredbånd (0,1 Hz-8 kHz) ekstracellulære signaler fra EEG og HPC-elektroder blev digitaliseret ved 32 kHz. Elektrodeplaceringen i HPC'en blev optimeret til bølgedetektering mindst 24 timer før optagelsen startede. Hver optagelsessession begyndte på samme tid for hvert dyr og varede i 2 timer. Denne observationsperiode blev valgt ud fra tidligere beviser for, at den tidlige fase af finkonsolidering er NE-afhængig8. Optagelsen blev foretaget i svagt lys og under den aktive (mørke) fase af døgnrytmen, som er den mest optimale til træning af rotter.

Opgave for rumlig hukommelse.

Den samme labyrintopgave og træningsprotokol blev brugt som beskrevet i detaljer andetsteds38.Rotter blev trænet på en forhøjet otte-arm radial labyrint (fig. 1a). Labyrintarme (66 cm lange × 10 cm brede) med en lille hul (1 cm i diameter) for enden for madbelønning (chokolademælk) forlænget fra en central platform (30 cm i diameter). To store visuelle signaler blev fastgjort på de sorte gardiner, der omgiver labyrinten. I løbet af forsøgsintervallet blev en rotte anbragt på et forhøjet stativ. Rotteadfærd blev videoovervåget. Efter tilvænning og fortræning (supplerende metoder) blev 3 ud af 8 labyrintarme lokket; belønningsplaceringer blev tilfældigt tildelt for hver rotte og opretholdt den samme for alle træningssessioner (3 forsøg pr. dag i 7 dage). Et forsøg startede med at placere en rotte på den centrale platform og varede indtil alle 3 belønninger var indsamlet eller 5 min. Labyrintens overflade blev tørret af efter hvert forsøg for at minimere olfaktoriske tegn. Følgende adfærdsvariabler blev registreret og analyseret: antal besøgte labyrintarme, prøvetid, valgnøjagtighed (beregnet som et forhold mellem lokket og det samlede antal besøgte arme), arbejdshukommelsesfejl (antal genindtræden i besøgte arme) , referencehukommelsesfejl (RM) (indtastninger i arme uden lokkemad).

Lægemiddelinjektioner

Clonidin- og propranololpulveret (Sigma Aldrich, Burlington, MA) blev opløst i saltvand og injiceret intraperitonealt (ip) i et volumen på 1 ml/kg umiddelbart efter hver labyrintsession (clonidin:0.05 mg/kg, ip; propranolol: 10 mg/kg, ip). Kontrolrotter modtog saltvand (1 ml/kg, ip). Clonidin undertrykker NEtransmission72 og har i en dosis på 0,05 mg/kg (ip) vist sig i rotter at reducere LC-aktiviteten til 60% baseline niveau67. Propranolol, en -adrenoreceptorantagonist, efter gentagen behandling med en moderat dosis (<40 mg/ kg) inhibits the LC activity40,41. Besides, propranolol in a dose of 10 mg/kg (i.p.) was shown to modulate NEmediated excitability of the hippocampal neurons73 while it did not affect rat spontaneous behavior74–76. The half-life of clonidine may greatly vary between 6 and 23 h depending on the dosage, chronic use, and metabolism level75,77. Typically, the plasma peak levels are reached 60–90 min after clonidine administration. The plasma half-life of propranolol is 3 to 6 h with a peak of 1–3 h after ingestion76. The elimination half-life of propranolol is approximately 8 h (https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Propranolol). This, according to the pharmacokinetics of both drugs, the drug concentration was close to the highest during the observation period of up to 2 h post-injection. Importantly, both drugs are effectively washed out within less than 24 hours.

Perfusion og histologi.

Rotter blev aflivet (100 mg/kg ip, Narcoren, Merial) og perfunderet transkardialt med 0,9 % saltvand efterfulgt af 4 % paraformaldehyd. Hjerner blev skåret i skiver (50 µm) under anvendelse af en horisontal frysemikrotom (Microm HM 440E, Thermo Fischer Scientific, Waltham, MA). For at verificere elektrodeplaceringen blev Nissl-farvede hjernesektioner undersøgt under mikroskop (Axiovision, Zeiss, Oberkochen, Tyskland).

Hændelsesdetektion.

SO, søvnspindler og hippocampale krusninger blev detekteret som tidligere beskrevet andetsteds71,78. EEG-signalet blev nedsamplet til 1 kHz og båndpas (0.3 – 4 Hz) filtreret. Til SO-detektion blev nul krydsninger af filtreret EEG, der fandt sted inden for et 0.4 til 1-s tidsvindue, udtrukket. To på hinanden følgende negativ-til-positive nulgennemgange med en negativ topamplitude under 100 μV og negativ-til-positiv top-to-peak amplitude på over 120 μV blev tildelt som sådan. Til spindeldetektion blev båndpas (10-16 Hz) filtreret EEG rettet og udjævnet. Spindlerne blev detekteret af en signalamplitude, der oversteg en tærskel på 1,5 standardafvigelser (SD) af middelsignalet under NREM-søvn-epoker i 0.4-2,0 s. Spindler, der forekommer inden for mindre end 50 ms, blev smeltet sammen. Te HVS'er blev detekteret ved hjælp af den samme algoritme med justerede parametre (båndpas: 5-7 Hz, tærskel: 2,5 SD, min/max: 0,7 s/3 s). To HVS'er, der opstod på mindre end 200 ms, blev smeltet sammen. For at forhindre dobbeltdetektion blev søvnspindler identificeret på HVS-fri epoker. Til bølgedetektering blev HPC LFP båndpas (120-250 Hz) filtreret, ensrettet og udjævnet. Ripplerne blev detekteret af en signalamplitude, der oversteg en tærskel på 3 til 5 SD'er i 0,025 til 0,5 s. For alle hændelser blev on- og offsets defineret som henholdsvis stigende og faldende nul-gennemgange ved brug af en 1 SD-tærskel. Oscillationseffekten blev beregnet som integralet af indhylningen af ​​det Hilbert-transformerede signal mellem hændelsen on- og offset. SO-spindelens tidsmæssige kobling blev vurderet som beskrevet andetsteds43. Den SO-negative top blev brugt som en referencehændelse (t=0), toppene og lavpunkterne for spindler, der forekommer inden for ±1,5 s, blev ekstraheret, og hændelses-korrelationshistogrammet blev genereret. Bin-antallet blev konverteret til hændelseshastigheden, z-transformeret og gruppegennemsnit.

Søvn scoring og EEG effektspektral analyse. Søvn-scoringen var baseret på visuel-assisteret klassificering for på hinanden følgende 10--epoker af EEG- og EMG-signalerne79. Det artefaktfri EEG blev klassificeret som aktiv vågenhed (AW, lav-amplitude hurtigt EEG og høj EMG), stille vågenhed (QW, lav-amplitude hurtigt EEG og lav EMG) og NREM (høj-amplitude langsom EEG og lav EMG) ). REM-søvn-epokerne under 2 timers optagelse var sjældne og ikke analyseret. EEG-effektspektrene blev beregnet for hver adfærdstilstand ved hjælp af Matlab (Mathworks, USA) og FieldTrip-værktøjskassen 80. EEG-signalet blev segmenteret i {{10}}s epoker med et0.5-s overlap. Den hurtige Fourier-transformation blev anvendt på Hanning-tilspidsede datasegmenter for at beregne det enkeltsidede amplitudespektrum. For at adskille de fraktale og oscillerende komponenter i EEG-effektspektret brugte vi proceduren til irregulær gensampling af autospektralanalyse. Tidsfrekvensplot blev genereret ved hjælp af et glidende Hanning tilspidset vindue og en frekvensafhængig længde på 3 cyklusser. Frekvensområdet på 0,05 til 20 Hz (0,1 Hz trin) blev brugt til SO, søvnspindler og HVS, og 50 til 300 Hz (0,05 Hz trin og 9 cyklusser) til hippocampus krusninger.

Eksperimentelt design og statistisk analyse.

32 rotter blev trænet i labyrinten, af disse 19 rotter blev implanteret med elektroder og behandlet enten med clonidin (n=16), propranolol (n=11) eller saltvand (n{{4} }) efter hver læringssession. Yderligere 9 rotter blev implanteret med elektroder og kun brugt til elektrofysiologi. Adfærdsvariablerne var sessionsgennemsnit og underkastet gentagen variansanalyse (ANOVA) med læringssessionen som en gentagen faktor og lægemiddelbehandlingen som en gruppefaktor. TheGreenhouse-Geisser-korrektionen blev anvendt, når sfæricitetsantagelsen blev overtrådt. K-means klyngeanalysen blev brugt til at afsløre variationen mellem fag i indlæringshastigheden. Specifikt indsendte vi valgnøjagtigheden (som defineret i afsnittet Spatial Memory-opgavemetode) for alle læringssessioner og opdelte tidsserierne i to klynger, der adskiller sig efter indlæringsdynamikken. Vi beregnede derefter andelen af ​​rotter i hver klynge for hver forsøgsgruppe. Variablerne afledt af elektrofysiologiske signaler såsom søvnbegyndelse, epokevarighed, hændelseshastighed osv., blev underkastet en envejs ANOVA med lægemiddelbehandlingen som en gruppefaktor efterfulgt, når det var relevant, af Bonferroni posthoc-testene. Hændelseshastigheden efter injektion blev sammenlignet ved hjælp af de gentagne målinger ANOVA med et tidsvindue på 1 time og på tværs af gentagne lægemiddelbehandlinger. Paired-samplet-testen blev brugt til at afsløre forskellen mellem grupper i peri-event histogrammerne. Den statistiske signifikans( -værdi) blev sat til p=0.05. IBM SPSS Statistics (v.22) blev brugt til statistisk analyse. Softwarepakkerne Matlab (R2014a) og Adobe Illustrator® blev brugt til visualisering af resultater.

Datatilgængelighed

De datasæt, der anvendes og/eller analyseres under den aktuelle undersøgelse, er tilgængelige fra den tilsvarende forfatter efter rimelig anmodning.

Referencer

1. Giovannitti, JA, Toms, SM & Crawford, JJ Alfa-2 adrenerge receptoragonister: En gennemgang af aktuelle kliniske anvendelser.Anesth. Prog. 62, 31-39. https://doi.org/10.2344/0003-3006-62.1.31 (2015).

2. Chamberlain, SR & Robbins, TW Noradrenerg modulering af kognition: Terapeutiske implikationer. J. Psychopharmacol. 27.694-718. https://doi.org/10.1177/0269881113480988 (2013).

3. Newcorn, JH, Krone, B. & Dittmann, RW Ikke-stimulerende behandlinger for ADHD. Child Adolesc. Psykiatri. Clin. N. Am. 31.417-435. https://doi.org/10.1016/j.chc.2022.03.005 (2022).

4. Criaud, M. et al. Noradrenalin og bevægelsesinitieringsforstyrrelser ved Parkinsons sygdom: En farmakologisk funktionel MRI-undersøgelse med clonidin. Celler https://doi.org/10.3390/cells11172640 (2022).

5. Middlemiss, DN, Buxton, DA & Greenwood, DT Beta-adrenoceptorantagonister i psykiatri og neurologi. Pharmacol.Ter. 12, 419-437. https://doi.org/10.1016/0163-7258(81)90089-9 (1981).

6. Berridge, CW & Waterhouse, BD Te locus coeruleus-noradrenerg system: modulering af adfærdstilstand og tilstandsafhængige kognitive processer. Brain Res Brain Res Rev 42, 33-84 (2003).

7. Sara, SJ & Bouret, S. Orientering og reorientering: Te locus coeruleus medierer erkendelse gennem arousal. Neuron 76(1), 130-141(2012).

8. Sara, SJ Locus Coeruleus i takt med frembringelsen af ​​minder. Curr. Opin. Neurobiol. 35, 87-94. https://doi.org/10.1016/j.conb.2015.07.004 (2015).

9. Groch, S. et al. Bidrag af noradrenalin til konsolidering af følelsesmæssig hukommelse under søvn. Psykoneuroendokrinologi 36,1342-1350. https://doi.org/10.1016/j.psyneuen.2011.03.006 (2011).

10. Gais, S., Rasch, B., Dahmen, JC, Sara, S. & Born, J. Te hukommelsesfunktion af noradrenerg aktivitet i ikke-REM-søvn. J. Cogn. Neurosci. 23, 2582-2592. https://doi.org/10.1162/jocn.2011.21622 (2011).

For more information:1950477648nn@gmail.com