Undersøgelse af døgnvariation og kønsforskelle i hippocampus neurofysiologi og rumlig hukommelse, del 1

Abstrakt

Døgnrytme er biologiske processer, der cykler over 24 timer og regulerer mange facetter af neurofysiologi, herunder indlæring og hukommelse. Cirkadisk variation i udførelse af rumlig hukommelsesopgave er veldokumenteret; virkningen af ​​sex på tværs af døgntiden (CT) er dog stadig uklar.

Neurofysiologi er studiet af nervesystemets struktur, funktion og patologi. Hukommelse refererer til et individs evne til at bevare, reproducere og bruge hukommelsesinformation. Der er et uadskilleligt forhold mellem neurofysiologi og hukommelse.

I neurofysiologien er der en struktur kaldet synapse, som er en integreret del af nervesystemet. Synapser er det sted, hvor information overføres mellem neuroner, og hukommelsen er baseret på synapser. Når en neuron modtager information, kommunikerer den med andre neuroner gennem synapser og transmitterer informationen. Styrkelsen eller svækkelsen af ​​disse kontakter danner grundlaget for hukommelsesdannelse og forandring.

Hukommelse er blot resultatet af flere udvekslinger og beregninger mellem forskellige neuroner i den menneskelige hjerne. Antallet af neuroner i kroppen er fast, det vil sige, at vores hukommelsesreserve er fast. Derfor betyder forbedring af hukommelsen at forbedre styrken af ​​forbindelser mellem neuroner, såvel som antallet og kvaliteten af ​​forbindelser mellem synapser, hvilket kræver yderligere viden om neurofysiologi.

Derfor er neurofysiologisk forskning meget gavnlig for at forbedre individuel hukommelse. At lære om neurofysiologi kan hjælpe os med bedre at forstå, hvordan den menneskelige hjerne fungerer, hvilket giver os mulighed for at forbedre hukommelsen gennem træning og træning. Nogle metoder inkluderer at styrke forbindelserne mellem neuroner ved at læse mere og tænke mere, og at forbedre mængden og kvaliteten af ​​synapser ved at udføre forskellige mentale øvelser.

Kort sagt kan neurofysiologisk forskning ikke kun hjælpe os med bedre at forstå forholdet mellem den menneskelige hjerne og hukommelse, men også give forskellige metoder og teknikker til at forbedre den enkeltes hukommelse. Derfor bør vi aktivt lære relevant viden om neurofysiologi for at skabe et bedre miljø for vores hukommelse. Det kan ses, at vi skal forbedre vores hukommelse. Cistanche deserticola kan forbedre hukommelsen markant, fordi Cistanche deserticola er et traditionelt kinesisk medicinsk materiale med mange unikke effekter, hvoraf den ene 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 10 måder at forbedre hukommelsen på

Derudover er lidt kendt om virkningen af ​​tidspunktet på dagen på hippocampus neuronal fysiologi. Her undersøgte vi indflydelsen af ​​både køn og tidspunkt på dagen på hippocampus neurofysiologi og hukommelse hos mus. Ydeevnen for OLM-opgaven (Objectlocation Memory) afhang af både døgn-tid og køn, med hukommelsen forbedret om natten hos mænd, men om dagen hos kvinder. Langtidssynaptisk potensering (LTP) størrelse ved CA3-CA1 synapser var større om natten sammenlignet med dagen hos begge køn.
Dernæst målte vi spontan synaptisk excitation og hæmning på CA1 pyramidale neuroner. Hyppighed og amplitude af inhibering var større i løbet af dagen sammenlignet med natten, uanset køn. Frekvens og amplitude af excitation var større hos kvinder sammenlignet med mænd, uafhængigt af tidspunktet på dagen, selvom både tidspunktet på dagen og køn påvirkede præsynaptisk frigivelsessandsynlighed.

Om natten viste CA1 pyramidale neuroner øget excitabilitet (aktionspotentiale affyring og/eller baseline potentiale), der var afhængig af synaptisk excitation og inhibering, uanset køn. Denne undersøgelse understreger vigtigheden af ​​sex og tidspunkt på dagen i hippocampus fysiologi, især i betragtning af, at mange neurologiske lidelser, der påvirker hippocampus, er forbundet med cirkadiske forstyrrelser og forekommer forskelligt hos mænd og kvinder. Viden om, hvordan sex og døgnrytmer påvirker hippocampus fysiologi kan forbedre den translationelle relevans af terapeutiske midler og informere den passende timing af eksisterende behandlinger.

Nøgleord:

døgnrytme; hippocampus; hukommelse; plasticitet; rytmer; synaptisk.

Betydningserklæring

Døgnrytme regulerer mange aspekter af neurofysiologi, herunder kognition. Indvirkningen af ​​tidspunkt på dagen og sex på hippocampus neurofysiologi og hippocampus-afhængig hukommelse forbliver dog stort set uudforsket.

Her rapporterer vi, at den cirkadiske regulering af objektplaceringshukommelse (OLM) er kønsafhængig. Endvidere afslørede undersøgelse af hippocampus fysiologi på tværs af tidspunktet på dagen hos begge køn: forbedret langsigtet synaptisk potentiale om natten, større hæmmende synaptisk transmission i dagtimerne på CA1 pyramidale neuroner, virkninger af begge køn og tidspunkt på dagen på excitatorisk synaptisk transmission på CA1 pyramidale neuroner og forbedret natlig excitabilitet af CA1 pyramidale neuroner, der er afhængig af både synaptisk input og position langs anterior-posterior hippocampus akse. Disse resultater understreger vigtigheden af ​​at tage højde for køn, regional placering og tidspunkt på dagen i studiet af hippocampus fysiologi.

Introduktion

Hippocampus er sæde for læring og hukommelse i hjernen, og dens primære output genereres af de vigtigste celler (dvs. pyramidale neuroner) i område CA1. Aktionspotentiale affyring af en CA1 pyramideformet neuron, som enhver anden neuron, er en kombineret funktion af excitatorisk og inhiberende synaptisk drift, iboende membranegenskaber, der regulerer excitabilitet, og neuromodulatorer (Spruston, 2008).

En relativt uudforsket facet i hippocampus er, hvordan CA1-pyramidale neurons fysiologi moduleres efter tidspunkt på dagen. På cellulært niveau genereres dagsvariationer i biologisk funktion af en transkriptionel-translationel feedback-loop (Partch et al., 2014). Vævsure i hele kroppen er hierarkisk organiseret i et system, der styrer timingen af ​​24-timerytmer i fysiologi og adfærd, hvilket gør det muligt for organismer at tilpasse sig og forudse regelmæssigt forekommende begivenheder i deres miljø (Pilorz et al., 2020; Buijs et al. al., 2021).

Cirkadisk regulering af fysiologiske processer er fordelagtig, og dysregulering af døgnrytme kan fremme og forværre sygdomsdebut og symptomer (Logan og McClung, 2019; Colwell, 2021). Derfor er forståelsen af ​​den cirkadiske indflydelse på fysiologi afgørende for at designe interventioner til sygdomme med cirkadisk dysfunktion, såsom neurodegenerative sygdomme (Lee et al., 2021).

Desuden er størstedelen af ​​den grundlæggende viden om grundlæggende principper for hippocampus fysiologi baseret på undersøgelser udført i natlige, for det meste hanlige, gnavere i deres inaktive fase (dagtimerne). Mens det videnskabelige samfund er begyndt at adressere betydningen af ​​køn som en faktor i biomedicinsk forskning, er vigtigheden af ​​tidspunktet på dagen stadig relativt underbetonet. Det overordnede mål med denne undersøgelse var at begynde at afsløre, hvordan køn og tidspunkt på dagen interagerer for at påvirke daglig variation i hippocampus fysiologi og funktion.

Den suprachiasmatiske kerne (SCN) i hypothalamus er den primære orkestrator af det endogene døgnrytme netværk, og de elektriske egenskaber af SCN neuroner varierer på tværs af tidspunktet på dagen.

Circadian regulering af neuronal excitabilitet er udbredt i pattedyrshjernen (Paul et al., 2020) og er blevet observeret i en række arter, herunder gnavere (Snider et al., 2018), Drosophila (Cao og Nitabach, 2008; Sheeba, 2008), andzebrafisk (Elbaz et al., 2013). Selvom SCN er det primære ur, eksisterer autonome døgn-ure i andre hjerneregioner, herunder hippocampus (Paul et al., 2020; Hartsock og Spencer, 2020). På molekylært niveau udtrykker subregioner af hippocampus rytmisk kerne-urproteiner, hvor cellelegemelaget af område CA1 har den stærkeste ekspression af PER2 (Jilg et al., 2010). Desuden udviser over 600 gener, inklusive dem, der koder for ionkanaler og synaptiske proteiner, cirkadisk ekspression i hippocampus (Zhang et al., 2014; Renaud et al., 2015).

På celleniveau udtrykkes langsigtet potentiering (LTP), en form for plasticitet, hvor specifikke mønstre af synaptisk stimulering resulterer i vedvarende stigning i styrken af ​​synaptisk transmission, i større omfang om natten sammenlignet med dagen i natlige mus (Chaudhury et al., 2005; Besing et al., 2017; Davis et al., 2020). Kognitiv funktion reguleres også af døgnsystemet (Wright et al., 2012), og døgnregulering af ydeevne på hippocampus-afhængige hukommelsesassays er blevet påvist på tværs af flere arter (Snider et al., 2018).

Imidlertid er vores forståelse af, hvordan sex påvirker døgnrytmen regulering af kognition, begrænset. Ydermere mangler beviser på cellulært niveau, herunder en detaljeret forståelse af, hvordan tidspunktet på dagen og køn regulerer synaptisk drift på og membranegenskaber af CA1-pyramideceller. Her søgte vi at bestemme, hvordan køn og tidspunkt på dagen modulerer hippocampus-kredsløbet: fra adfærdsniveauet ned til individuel neuronal fysiologi.

Vi fandt ud af, at døgnregulering af hippocampus-afhængig hukommelse er afhængig af køn, mens dag-natforskelle i hippocampus LTP ikke er det. Vi fandt også, at synaptisk transmission og neuronal excitabilitet varierer som en funktion af tidspunktet på dagen og afslørede, at nogle af disse ændringer afhænger af køn.

Materialer og metoder

Dyr

Alle dyreprocedurer fulgte Guide for the Care andUse of Laboratory Animals, United States Public HealthService, og blev godkendt af University of Alabama at Birmingham Institutional Animal Care and Use Committee. Alle eksperimenter brugt 6- til 12-ugegamle C57BL/6J-mus af begge køn opnået fra Jackson Laboratories (http://jaxmice.jax.org/strain/013636.html) eller C57BL/6J-kolonien på University of Alabama i Birmingham.

Mus blev opretholdt i en 12/12 timers lys/mørke cyklus med ad libitum adgang til mad (LabDiet Rodent 5001 fra Purina) og vand. Mus blev grupperet i bure af samme køn med fire mus til adfærdseksperimenter. For alle andre eksperimenter blev mus gruppeopstaldet af samme køn bure med to til syv mus pr. bur.

Objektplaceringshukommelse (OLM)

Objektplaceringshukommelsen (OLM) opgaven (Snider et al., 2016) blev udført under 10 lux dæmpet rødt lys. Fire kohorter af mus blev brugt, hvor hver kohorte bestod af otte hanner og otte hunner. Inden for hver kohorte blev mus tildelt til at gennemgå tilvænning, træning og test enten om dagen eller om natten. I kohorte 1 og 3 blev hannerne testet om dagen, og hunnerne blev testet om natten. I kohorte 2 og 4 blev hunnerne testet om dagen, og hannerne blev testet om natten.

Mus blev ført til en 12/12 timers lys/mørke (LD) cyklus og derefter vænnet sig til arenaen i 2 dage på enten Zeitgeber tid (ZT) fire eller ZT 16 (hvor ZT 12 refererer til slukket lys), for dag og nat, henholdsvis (dage 1-2; Fig.1A, B). Efter dag 2 blev mus sluppet ud i konstant mørke (DD) og igen vænnet sig til arenaen ved projiceret døgntidspunkt (CT) 4 eller 16 (dage 3-4, hvor CT 12 refererer til den projicerede tid for slukket lys fra den foregående LD-cyklus; Fig. 1A, B). Mus fik lov til at akklimatisere sig til adfærdsrummet i 20 minutter hver dag umiddelbart før tilvænning eller træning/test.

Tilvænning bestod af 5 minutters håndtering efterfulgt af 5 minutters arenaudforskning med visuelle signaler til stede. Visuelle signaler bestod af lodrette striber på den ene væg og et stort rødt X på en anden væg. Arenaerne var 35,5 25,4 cm med 20,3 cm høje vægge. OLM træning og test fandt sted i DD, 24 timer efter den sidste tilvænningsdag ved projekteret CT 4 eller CT 16. Objekter blev lavet med PRETEX byggeklodser (varenr. 8030-100) og havde tre mulige positioner i arenaen, alle mindst 8,9 cm væk fra væggene.

Under træningen fik hver mus lov til at udforske anarenaen med to genstande i 5 min. Bagefter blev musen vendt tilbage til sit hjemmebur i 30 minutter, hvorunder et af objekterne fra den oprindelige udforskning blev flyttet til en ny position (den nye placering), mens den forblev i sin oprindelige position (den velkendte placering; fig. 1C). En 30-min. tilbagekaldelsesperiode blev valgt baseret på tidligere offentliggjorte metoder (Snider et al., 2016) og for at undgå hukommelsesinterferens på grund af søvnmangel eller hukommelsesforbedring fra en nats søvnperiode.

I testfasen blev hver mus placeret tilbage i arenaen med de nye og velkendte placeringsobjekter og fik lov til at udforske i 5 min. Al tilvænning, træning og test blev registreret ved 30 FPS (ELP-kameramodel:ELP-USBFHD05MT-KL36IR). Udforskning blev sporet ved hjælp af en computermodel lavet via DeepLabCut. Objektinteraktion blev derefter analyseret ved hjælp af tilpassede MATLAB(MathWorks)-scripts udviklet af Mary Phillips (https://github.com/PhillipsML/DLC-NovelObject#dlc-novel object). Til dataanalyse blev der anvendt adskillige eksklusionskriterier: mus, der udstillede en klar sidepræference, mus, der brugte det meste af deres tid på at udforske genstande for at forsøge at undslippe arenaen, og mus med en høj præference for det ene objekt frem for det andet under træningen blev udelukket. Diskrimineringsindekset blev beregnet som: (tid brugt på at udforske nye objektplacering tid brugt på at udforske velkendte objektplaceringer)/(tid brugt på at udforske nye objektplacering 1 gang brugt på at udforske velkendte objektplaceringer).

Elektrofysiologi

Forberedelse af skiver

Mus blev dræbt med cervikal dislokation og hurtig halshugning ved ZT {{0}}-1 eller ZT 11-12 til henholdsvis dag- og nateksperimenter. Både sex og tidspunkt på dagen var interleaves. Til ekstracellulære felteksperimenter blev hjerner fjernet, og 350- mm koronale skiver blev forberedt ved hjælp af et VT1200 S vibratom (Leica Biosystems) i en iskold opløsning indeholdende følgende (i mM): 85 NaCl, 2,5 KCl, 4 MgSO4 *7H2O , 0,5 CaCl2 * 2H2O, 1,25 NaH2P04, 75 Saccharose, 25 NaHC03, 25 Glucose mættet i 95% O2 og 5% CO2. Skiver fik lov at hvile i mindst 1 time i en genvindingsopløsning af standard kunstig CSF (ACSF) indeholdende følgende (i mM): 119 NaCl, 2,5 KCl, 1,3 MgSO4 * 7H2O, 2,5 CaCl2 * 2H2O, 1 NaH2PO4, 26 NaHCO3, og 11 glucose, boblet med 95% O2/5% CO2.

Til helcelle patch-clamp-eksperimenter blev hjerner fjernet, og 300-mm tykke koronale skiver blev forberedt ved hjælp af et VT1200 S vibratome (LeicaBiosystems) i en iskold opløsning indeholdende følgende (i mM) : 110 cholinchlorid, 25 glucose, 7 MgCl2, 2,5 KCl, 1,25 Na2P04, 0,5 CaCl2, 1,3 Na-ascorbat, 3 Na-pyruvat og 25 NaHC03, boblet med 95% O2/5% CO2.
Skiverne fik lov at hvile i mindst 1 time ved stuetemperatur i en dækningsopløsning indeholdende følgende (i mM): 125 NaCl, 2,5 KCl, 1,25 Na2PO4, 2 CaCl2, 1 MgCl2, 25 NaHCO3 og 25 glukose, boblet med 95 % O2/ 5 % CO2. Til eksperimenter, der målte hæmmende synaptiske hændelser, blev 2 mM kynurenicacid tilsat til genvindingsopløsningen.

Feltoptagelser

Data blev opnået fra ZT 1-6 eller ZT 12-18 for henholdsvis dag- og natoptagelser. Koronale hippocampale skiver blev anbragt i et nedsænkningskammer og kontinuerligt perfunderet med standard ACSF ved 3-5 ml/min og 26-28 grader. Schaffer kollaterale axoner blev stimuleret ved hjælp af en bipolarstimulerende elektrode placeret i stratum radiatum af areaCA3. Felt-EPSP'er (fEPSP'er) blev opnået med en optagelseselektrode placeret i stratum radiatum af området CA1 inden for 200-300 mm fra den stimulerende elektrode.

Den indledende hældning af fEPSP'erne (fEPSP-hældning) blev målt ved det lineære område umiddelbart efter fibersalven og før fEPSP-toppen. Data blev indsamlet og analyseret ved anvendelse af pCLAMP10/11 (Molecular Devices). Data blev optaget ved hjælp af en Kerr Scientific S2-forstærker (Kerr Tissue RecordingSystem, Kerr Scientific Instruments). Signaler blev digitaliseret ved 10 kHz (Digidata 1550B).

Input-output (I/O) kurver blev genereret ved at måle hældningen af ​​fEPSP'er fra CA1 stratum radiatum som reaktion på en række stigende stimuleringsintensiteter (0.2-200 mA , D 10 mA) ved Schaffer Collaterals. Baseline fEPSP'er blev opnået ved at levere en 0.1-Hz-stimulering for at fremkalde fEPSP'er på ca. 0,20 mV/m i 20 min.

Langtidsforstærkningseksperimenter (LTP) blev udført ved at opnå og opretholde et stabilt baselinefEPSP-respons i 20 min, og derefter blev LTP induceret ved at levere en højfrekvent stimulation (HFS; 100 Hz; 0,5 sduration; leveret 2 med 15-s interval). Denne svagere stimuleringsprotokol blev valgt for at undgå at maskere en dag/nat forskel i LTP-størrelse (Besing et al., 2017; Davis et al., 2020). Efter HFS blev fEPSP-hældninger registreret i 40 minutter.

For more information:1950477648nn@gmail.com