Temporal udholdenhed af træningsinducerede fordele på Hippocampus-afhængig hukommelse og synaptisk plasticitet hos hunmus, del 1

Abstrakt

Motion letter hippocampus neurogenese og neuroplasticitet, der igen fremmer kognitiv funktion. Vores tidligere undersøgelser har vist, at i hanmus muliggør frivillig træning shippocampus-afhængig læring under forhold, der normalt er undertærskelværdier for langvarig dannelse hos stillesiddende dyr. En sådan kognitiv forbedring kan opretholdes længe efter, at træningen er ophørt og kan genoptages ved en efterfølgende træningssession under tærskelværdien, hvilket tyder på, at træningsinducerede fordele er tidsmæssigt dynamiske.

Neuroplasticitet refererer til neuronernes evne til løbende at tilpasse sig eksterne stimuli og interne aktiviteter. Denne evne spiller en afgørende rolle i hukommelsesdannelse og opbevaring. Når det er sagt, er neuroplasticitet tæt forbundet med hukommelsen.

Neuroplasticitet opstår gennem synaptiske forbindelser mellem neuroner. Når vi modtager en ny ting, vil forbindelserne mellem neuroner i hjernen ændre sig og danne nye synaptiske forbindelser. Denne proces kræver gentagen øvelse og gentagelse for at producere langsigtede og stabile synaptiske forbindelser. Kun denne langsigtede synaptiske forbindelse kan påvirke hukommelsen og gemme den.

Neuroplasticitet ændrer sig også med alderen og erfaringen. Neuroplasticitet er meget kraftig, når vi er unge, og hjernen kan meget hurtigt danne nye synaptiske forbindelser, når vi lærer nye ting. Men efterhånden som vi bliver ældre, falder neuroplasticiteten, hvilket betyder, at det bliver sværere at lære ny information. Men hvis vi bevarer en positiv holdning og en vilje og vane til proaktivt at lære nye ting, kan vi stadig bevare et vist niveau af neuroplasticitet. Det betyder, at vi kan fortsætte med at lære og vokse og forbedre vores hukommelse og intelligens.

For at opsummere er neuroplasticitet og hukommelse tæt forbundet. At bevare en positiv holdning og vanen med aktivt at lære ny viden kan hjælpe os med at bevare en god neuroplasticitet og derved opnå bedre hukommelse og intelligens. Lad os studere utrætteligt, bevare en positiv holdning og konstant forbedre vores evner og kvaliteter. 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

Hos kvinder er det endnu ikke defineret, i hvilket omfang fordelene ved motion kan opretholdes, og de mekanismer, der ligger til grund for denne vedligeholdelse. Her undersøgte vi de træningsparametre, der kræves for at igangsætte og vedligeholde fordelene ved træning hos C57BL/6J-hunmus. Ved at bruge en subtærskelversion af den hippocampus-afhængige opgave kaldet OLM-opgave (Object-location Memory), viser vi, at 14d frivillig øvelse muliggør læring under subtærskelopsamlingsbetingelser hos hunmus. Efter den indledende træning resulterer en 7 dages stillesiddende forsinkelse i nedsat ydeevne, som kan genfaciliteres, når dyrene får 2 dages reaktiverende træning efter den stillesiddende forsinkelse.

Vurdering af brunstcyklussen afslører øget hjulløbsaktivitet under brunstfasen i forhold til diestrusfasen, hvorimod brunstfasen ved træning eller test ikke påvirkede OLM-præstationen. Ved at bruge de samme træningsparametre viser vi, at 14d træning øger langtidspotentieringen ( LTP) i CA1-regionen af ​​hippocampus, en effekt, der varer ved under hele denne tandforsinkelse og efter den genaktiverende træningssession. Tidligere undersøgelser har foreslået træningsinduceret BDNF-opregulering som den mekanisme, der ligger til grund for træningsmedieret fordel for synaptisk plasticitet og kognition.

Vores vurdering af hippocampus Bdnf mRNA-ekspression efter hukommelseshentning afslører imidlertid ingen forskel mellem træningsbetingelser og kontrol, hvilket tyder på, at vedvarende Bdnf-opregulering muligvis ikke er påkrævet for at opretholde træningsinducerede fordele. Tilsammen indikerer vores data, at 14d af frivillig træning kan initiere langvarige fordele på neuroplasticitet og kognitiv funktion hos hunmus, hvilket etablerer det første bevis på den tidsmæssige udholdenhed af træningsinducerede fordele hos hunner.

Nøgleord

Dyrke motion; Læring; Hejppocampus; Synaptisk plasticitet; BDNF; Østrus cyklus.

1. Introduktion

Effekten af ​​fysisk træning på at understøtte og vedligeholde hjernens sundhed er veldokumenteret. I hjernen er hippocampus afgørende for indlæring og hukommelsesdannelse, da forstyrrelse af denne hjernestruktur fører til hukommelsessvækkelser (Packard & McGaugh, 1996; Riedel et al., 1999; Scoville & Milner, 1957). Derfor tilskrives afvigende morfologiske og funktionelle ændringer i hippocampus kognitive svækkelser forbundet med aldring og sygdomstilstande (Bettio et al., 2017).

Undersøgelser i både mennesker (ten Brinkeet al., 2015; Erickson et al., 2011; Pajonk et al., 2010; Teixeira et al., 2018) og dyremodeller (Cooper et al., 2018; Neeper et al., 1996; O'Callaghan et al., 2007; Van Praag, 2008) har demonstreret virkningerne af træning på at understøtte hippocampus' strukturelle og funktionelle integritet, hvilket tyder på, at fysisk træning er en effektiv ikke-farmakologisk intervention for kognitiv svækkelse i både fysiologiske og patologiske tilstande (Intlekofer & Cotman, 2013; Lauretta et al., 2021; Liu et al., 2011; Muscari et al., 2010).

På trods af rigelig forskning i de gavnlige virkninger af træning og forholdet mellem hippocampus og kognitiv funktion, er lidt kendt om den tidsmæssige dynamik af træningsinducerede fordele. Det vil sige, hvad er træningsvarigheden, der kræves for at øge hippocampus funktion, og hvor længe varer disse fordele ved efter træningen er ophørt?

Endnu færre undersøgelser har forsøgt at undersøge de molekylære mekanismer, der ligger til grund for opretholdelsen af ​​træningsinducerede fordele. I betragtning af, at træningsregimer hos mennesker er mindre stive og konsistente end dem, der anvendes i dyreforsøg (Lee & Skerrett, 2001), er det vigtigt at udvikle træningsprotokoller, der er fleksible og ikke kræver en daglig træningsrutine, men som stadig kan engagere og opretholde træningsinduceret kognitiv funktion. fordele. I dyreforsøg er det vanskeligt at identificere den minimale træningsvarighed, der kræves for at påbegynde og vedligeholde fordelene ved træning på grund af betydelig variation i træningsprotokoller, der anvendes på tværs af undersøgelser (Loprinzi et al., 2019). Derfor er det fortsat vigtigt at undersøge den træningstærskel, der inducerer og vedligeholder kognitive fordele og de underliggende mekanismer.

Træning letter neuroplasticitet, neurogenese og efterfølgende indlærings- og hukommelsesmekanismer, der inducerer den neurotrofiske virkning af hjerneafledt neurotrofisk faktor (BDNF) i hippocampus (Alomari et al., 2013; Cotman et al., 2007; Cotman & Berchtold, D2002; et al., 2011; Triviño-Paredes et al., 2016; Van Praag, Christie, et al., 1999; Van Praag, Kempermann, et al., 1999). Hos både hun- og mandlige gnavere forbedrer motion adfærdsevnen i en bred vifte af hukommelsesopgaver, herunder de tungt rumligt orienterede, hippocampus-baserede opgaver: Morris vandlabyrint (MWM), objektplaceringshukommelse (OLM) og radial armlabyrint foruden andre hippocampus-baserede hukommelsesopgaver såsom kontekstuel frygtkonditionering, passiv undgåelse og genkendelse af nye objekter (Intlekofer et al., 2013; Lambert et al., 2005; O'Callaghan et al., 2007; Van Praag, Christie, et al., 1999; Van Praag, Kempermann, et al., 1999; Vivar, Potter, & Van Praag, 2012).

Hos gnavere, vores undersøgelser og andre har vi identificeret, at en minimal træningsvarighed på 2 uger er påkrævet for fordele på indlæring og hukommelse, som kan opretholdes gennem en periode med inaktivitet og genoptages ved genintroduktion til en kort 2d-øvelsessession under tærskelværdien (Berchtold et al. al., 2010; Butler et al., 2019; Intlekofer et al., 2013). På molekylært niveau inducerer 2 ugers træning opregulering af hippocampus hjerneafledt neurotrofisk faktorprotein hos hanrotter (Berchtold et al., 2005).

Efter faldet af forhøjede BDNF-niveauer til baseline, kan en efterfølgende genintroduktion til en kort 2d træningssession under tærskelværdien genfacilitere forhøjede niveauer af hippocampus BDNF (Berchtold et al., 2005). Dette antyder træningsmedieret BDNF-opregulering som en potentiel mekanisme, der forbereder langvarige neuronale ændringer for at muliggøre en stimulus med lavere træningsfrekvens for at udnytte disse tilpasninger og lette kognitive fordele.

BDNF-signalering fremmer proteinsynteseafhængige mekanismer til at inducere hippocampallangvarig potensering (LTP), en cellulær korrelat af indlæring og hukommelse (Panja & Bramham, 2014; Silva, 2003). Derfor foreslås forbedring af hippocampus LTP efter træning som grundlag for træningsfaciliteret læring (L. Bettio et al., 2019; Liuet al., 2011). Så vidt vi ved, har ingen undersøgelse hidtil undersøgt, om en forbedring af LTP fortsætter efter træningsophør hos begge køn. Adskillige undersøgelser har vist, at træning effektivt forbedrer LTP i dentate gyrus (Farmer et al., 2004; Van Praag, Christie, et al., 1999; Vasuta et al., 2007), men der er en overraskende mangel på forskning, der undersøger, hvordan træning modulerer synaptisk plasticitet i CA1-underfeltet (Cotman et al., 2007), som fungerer som det mest undersøgte område i hippocampus i sammenhæng med rumlig hukommelse (Patten et al., 2015). Derfor er forholdet mellem træning og CA1-plasticitet fortsat at blive udforsket.

Adskillige undersøgelser har understøttet hypotesen om, at træningsinducerede fordele er tidsdynamiske (Berchtold et al., 2005, 2010; Butler et al., 2019; YP Kim et al., 2003). Med hensyn til hundyr er vores forståelse af denne proces mindre fremtrædende, da det meste af arbejdet primært er blevet udført hos hanner. Studier af indlæring og hukommelse har givet bevis for, at lignende adfærdsmæssige resultater mellem køn kan involvere forskellige neurale mekanismer (Becker & Koob, 2016; Keizer & Wood, 2019; Sase et al., 2019). På trods af data, der indikerer, at træning forbedrer neuroplasticitet og kognition hos begge køn, er der klare beviser for de kønsspecifikke effekter af træning og de underliggende mekanismer.

Umenneskelige, motion forbedrer objekt-placeringshukommelsen hos mænd og ikke kvinder (Colemanet al., 2018). Hos gnavere forbedrer træning selektivt det ene køns præstation i visse hukommelsesopgaver (Barha et al., 2017). På det molekylære niveau er fordelingen af ​​BDNF på tværs af flere hjernestrukturer og subregioner af hippocampus forskellig mellem køn (Bakos et al., 2009; Franklin & Perrot-Sinal, 2006). Akkumulerende beviser har også fremhævet kønsforskelle i BDNF's funktioner og mekanismer (Chan & Ye, 2017). For eksempel kan det reproduktive hormon, østrogen, regulere BDNF-ekspression gennem forskellige mekanismer, hvoraf den ene involverer epigenetiske modifikationer på BDNF-promotoren (Fortress et. al., 2014; Moreno-Piovano et al., 2014; Chan & Ye, 2017).

Hippocampal BDNF-proteinniveauer varierer på tværs af østruscyklussen med den højeste ekspression observeret under brunst og proestrus, hvilket tyder på, at udsving i østrogenniveauer gennem østroscyklussen hos kvinder påvirker BDNF-ekspression forskelligt (Scharfman et al., 2003). Derudover kan østruscyklussen også modulere mål nedstrøms for BDNF-signalveje i hippocampus (Spencer et al., 2008; Spencer-Segal et al., 2011). Ekspressionen af ​​flere gener, der er involveret i hippocampus funktion, gennemgår også dynamiske ændringer gennem hele den østriske cyklus (Iqbal et al., 2020). Samlet understreger disse data behovet for at undersøge de træningsinducerede fordele separat hos kvinder og mænd.

Da vores tidligere undersøgelse har etableret træningstærsklen, der engagerer og opretholder træningsforbedret kognitiv funktion hos hanmus (Butler et al., 2019), brugte vi det samme træningsparadigme til at undersøge den tidsmæssige dynamik af træningsinducerede fordele hos hunmus. I denne undersøgelse demonstrerer vi, at hos hunmus muliggør 14d frivillig træning langsigtet hukommelsesdannelse under subtærskelopsamlingsbetingelser for opgaven med objektplaceringshukommelse (OLM). I lighed med mænd (Butler et al., 2019), bibeholdes indledende trænings-inducerede fordele gennem en 7 dages stillesiddende forsinkelsesperiode og kan genaktiveres med en kort 2d periode med reaktiverende træning for at muliggøre langsigtet hukommelsesdannelse under subtærskeltilegnelsesforhold.

OLM præstation blev ikke påvirket af brunstcyklusfaser på træningstidspunktet eller test. Imidlertid blev frivillig hjulløbsaktivitet forbedret under brunstfasen. Derudover demonstrerer vi, at træning øger LTP i CA1-regionen af ​​hippocampus hos kvinder, og denne effekt vedvarer selv efter en stillesiddende forsinkelsesperiode, hvilket etablerer det første bevis på den tidsmæssige udholdenhed af træningsinduceret neuroplasticitet hos kvinder. Til vores overraskelse gav vurdering af hippocampus Bdnf-ekspression efter hukommelseshentning ingen forskel mellem eksperimentelle grupper, hvilket tyder på, at vedvarende opregulering af BDNF muligvis ikke er påkrævet for at opretholde træningsinducerede kognitive fordele.

2. Materialer og metoder

2.1. Dyr

Hunne, 8-uge gamle C57BL/6J mus (Jackson Laboratory) blev individuelt anbragt under standardforhold (20 grader ± 1 grad; 70 % ± 10 % luftfugtighed; 12 t:12 t lys og mørke cyklus) og leverede reklame libitum adgang til mad og vand. Alle eksperimenter blev udført under lysfasen. Alle forsøg blev udført af National Institutesof Healths retningslinjer for dyrepleje og brug og blev godkendt af Institutional AnimalCare and Use Committee ved University of California, Irvine.

2.2. Motionsbehandling

Mus blev opdelt i grupper ({{0}}–0–0: n=8, 14–0–0: n=7, 14–7–0: n=8, 14–7–2; n=8) og individuelt anbragt i enten træningsbure (udstyret med kørehjul) eller stillesiddende bure (standardbure) ). Træningsbure er lavet af 9,3 tommer × 13,9 tommer × 7,7 tommer (længde × bredde × højde) polycarbonat og udstyret med et løbehjul på 40 cm i omkreds, 12,7 cm i diameter (Lafayette Instruments).

Frivillig hjulkørsel blev overvåget via en {{0}},110sensor/tæller tilsluttet en central grænseflade forbundet til en dedikeret pc med ScurryActivity Monitoring Software (Lafayette Instruments). Træningsparametre består af en indledende træningsperiode (0 eller 14d) efterfulgt af en stillesiddende forsinkelse (0 eller 7d), hvor det kørende hjul blev fjernet. Efter denne periode med inaktivitet blev nogle mus tildelt til at modtage en genaktiverende træningssession, bestående af 2D-adgang til løbehjulene (se fig. 1).

2.3. identifikation af musebrustcyklusstadie

Faserne af brunstcyklussen blev sporet og overvåget omkring samme tid (~10.00) dagligt, begyndende på den første dag med hjulkørsel. Både visuel vurdering og vaginalsmear blev udført en gang om dagen som beskrevet af McLean et al. (2012) og Ajayi og Akhigbe (2020). Ved hjælp af en pipette blev våde vaginale pletter taget i 5 uL saltvand.

For at forhindre pseudograviditetseffekter (Adler & Zoloth, 1970) blev pipettespidsen omhyggeligt placeret for ikke at trænge ind i vaginalåbningen. Opsamlingsvæske blev anbragt på et objektglas og lufttørret ved RT. Når udstrygningen var helt tør, blev objektglassene farvet med 0,1 % krystalviolet farve (McLean et al., 2012). Cytologisk vurdering blev udført i overensstemmelse hermed for at identificere faser af østroscyklussen (se fig. 2E).

2.4. Subthreshold Object-Location memory (OLM) opgave

2.4.1. Apparatur – Undertærsklen, 3-minut objektplaceringshukommelse (OLM) opgaven blev udført ved hjælp af et sæt af 4 identiske kamre. Hvert kammer var lavet af hvidfarvet plast med dimensioner på 333 mm × 320 mm × 310 mm (længde × bredde × højde) og indeholdt ~ 1 cm dybe Sani-Chips (PJ Murphy Forest Products). En lodret mat sortmarkeringsstrimmel blev klæbet til den ene side af hvert kammer for at tjene som den rumlige navigationskø. Hver kontekst blev belyst af svagt gult lys (~15 lx). Udforskende adfærd blev registreret og scoret offline ved hjælp af ANY-labyrint-sporingssoftware (Stoelting Co.).

2.4.2. Eksperimentelt design - OLM træning, test og analyse blev udført som beskrevet af Vogel-Ciernia et al. (2015) med akkvisitionsvarigheden justeret til 3 minutter, hvilket vi tidligere har vist som undertærskel for kodning, hvilket resulterer i dårlig ydeevne i både kort- og langtidshukommelsen (Butler et al., 2019; Intlekofer et al., 2013; Malvaez et al., 2013; McQuown et al., 2011). Før OLM-træning blev mus håndteret og derefter vænnet til den eksperimentelle kontekst. Mus blev håndteret i 2 minutter pr. dag i 4 på hinanden følgende dage, hvor de sidste 2 dages håndtering overlappede med tilvænning. Tilvænning fandt sted over 6 dage, hvor musene blev udsat for den eksperimentelle kontekst i 5 minutter pr. dag. Tilvænningssessioner blev analyseret (for at bestemme den tilbagelagte distance og hastighed) ved hjælp af ANY-labyrint adfærdsanalysesoftware. Reduceret aktivitet på tværs af dage blev brugt som en indikator for vellykket tilvænning (Supplerende Fig. S1, S2). Uanset træningsregimet blev løbehjul fjernet natten før OLM-træning for at eliminere de umiddelbare virkninger af hjulløb på adfærd.

Efter tilvænning modtog mus en 3-minuts opsamlingssession, hvor to identiske genstande (100-mL glasbægre fyldt med cement) blev placeret på forskellige steder (placering A1, øverst til venstre, ion A2, øverst til højre). Genstande blev placeret 9 cm fra hinanden, 6 cm fra sidevæggene og 1 cm fra forvæggen. For at vurdere langtidshukommelsen gennemgik mus en 5 minutters test, 24 timer efter træning, hvor et velkendt objekt (modbalanceret) blev flyttet til et nyt sted (placering A3, nederst i midten) placeret 2,5 cm fra bundvæggen. Udforskning af objektet i romanen (placering A3) vs. den velkendte/faste placering (A1) blev undersøgt.

Udforskning blev kun scoret, når musehovedet pegede mod objektet og kom inden for 1 cm, eller når næsen rørte objektet. Samlet udforskningstid blev registreret (t), og præference for det nye objekt blev udtrykt som diskriminationsindeks (DI=( roman −kendt) / (roman + kendt) × 100%). Til træningssessioner blev det objekt, der var udpeget til at blive flyttet under testsessionen, brugt som det nye objekt for at gøre det muligt direkte at sammenligne træning og test af DI.

Mus, der udforskede<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