Část 1: Jedinečný myší model cvičení v raném životě umožňuje paměť hipokampu a synaptickou plasticitu
Mar 15, 2022
další informace:ali.ma@wecistanche.com
Autumn S. ivy1,4 ✉, TimYu1, Enikö Kramár3,4, Sonia Parievsky2, Fred Sohn2 & thaoVu2
fyzické cvičení je mocným modulátorem učení aPaměť. Mechanismy, které jsou základem kognitivních výhod cvičení, jsou dobře zdokumentovány u dospělých hlodavců. Cvičební studie zaměřené na postnatální období zrání hipokampu (konkrétně zaměřené na období synaptické reorganizace a plasticity) chybí. Charakterizujeme model cvičení v raném věku (ELE) u samců a samic myší navržený tak, aby identifikoval kritická období, kdy cvičení může mít trvalý dopad na hipokampálníPaměťa synaptickou plasticitu. Myši měly volný přístup k běžeckému kolu během tří postnatálních období: 4. postnatální týden (juvenilní ELE, P21–27), 6. postnatální týden (adolescentní ELE, P35–41) nebo 4. -6 postnatální týden (juvenilní-adolescenti ELE, P21–41). Všechny cvičební skupiny zvýšily své běžecké vzdálenosti během ELE. Při vystavení podprahovému stimulu učení se juv ELE a juvadol ELE vytvořily dlouhodoběPaměťpro umístění objektuPaměťúkol, zatímco sedavé a dospělé ELE myši ne. Elektrofyziologické experimenty odhalily zvýšenou dlouhodobou potenciaci v hipokampálním CA1 ve skupině juvenilních-adolescentních ELE. I/O křivky byly také významně modulovány
u všech myší, které podstoupily ELE. Naše výsledky naznačují, že cvičení v raném věku, konkrétně během 4. postnatálního týdne, může umožnit hippocampalPaměť, synaptickou plasticitu a mění dráždivost hipokampu, když k nim dochází během postnatálních období zrání hipokampu.
Klikněte naCistanche herba pro zlepšení paměti
Cvičení v dospělosti je vysoce účinné při zlepšování kognitivních funkcí u lidí i hlodavců1,2. U dětí klinické studie pozitivně spojují vyšší úroveň fyzické aktivity se zlepšenou pracípaměť 3, akademický výkon4 a strukturální zdraví mozku5. Preklinické cvičební modely využívající dospělé hlodavce identifikovaly základní neurobiologické mechanismy, kterými může cvičení zlepšit závislost na hippocampu.Paměť: cvičení zvyšuje neurogenezi6, vaskularizaci7, číslo synapsí8, usnadňuje dlouhodobou potenciaci (LTP) v DG9–11 (ale viz 12 týkající se samic myší) a v určitých případech oblast CA113,14 (ale viz 15) a indukuje několik synaptických genů a proteiny, včetně klíčového růstového faktoru modulujícího plasticitu neurotrofního faktoru odvozeného z mozku (BDNF;16,17). Existují určité důkazy, že cvičení může zapojit podobné mechanismy plasticity ve vyvíjejícím se mozku18, avšak chybí studie zaměřené na neurobiologické následky cvičení v raném věku. Přesto je to právě během vývojových období v raném věku, na které mohou mít účinky cvičení největší dlouhodobý přínosPaměťa kognitivní schopnosti po celý život19.
Kognitivní a neurotrofické účinky cvičení v dospělosti jsou přechodné a zdá se, že odeznívají během dnů až týdnů. Například jedna studie cvičila dospělé krysy po dobu tří týdnů a poté provedla kognitivní testování dva týdny po ukončení cvičení. Tese krysy měly slabšíPaměťvýkon v úloze v bludišti s radiálními pažemi poté, co byl sedavý dva týdny po cvičení. S tímto financováním bylo spojeno postupné snižování mRNA a proteinu BDNF v hipokampu, které se nakonec vrátilo na výchozí hodnoty 14 dní po ukončení cvičení20. Naproti tomu novější studie se zaměřily na cvičení v raném věku a to prospívá prostorovémuPaměťa plasticita hipokampu přetrvává až do dospělosti, když je cvičení zahájeno v adolescenci21–23. Tis naznačuje trvalý účinek cvičení adolescentů na učení a paměť24. Přesná časová okna, kterými může zkušenost se cvičením v raném věku podporovat trvalé změny v neuronální funkci, plasticitě hipokampu a chování, dosud nebyla důkladně prozkoumána.
Mozek savců prochází protrahovaným postnatálním vývojem regionálně a funkčním síťově specifickým způsobem25,26. U lidí dosahuje neuronální diferenciace a synaptogeneze v hippocampu 1 Pediatrics Department, University of California-Irvine School of Medicine, Irvine, USA. 2 School of Biological Sciences, University of California-Irvine, Irvine, USA. 3 Katedra neurobiologie a chování, University of California-Irvine, Irvine, USA. 4 Centrum pro neurobiologii učení aPaměť, Irvine, CA, USA. ✉ e-mail:aivy@uci.edu
úrovně dospělých kolem 3–5 let věku27, což je přibližně doba, kdy děti dokážou spolehlivě vytvářet dlouhodobé prostorovéPaměť28. U hlodavců dosahuje hipokampus milníků v hustotě synapse a zjemnění okruhu během 3. až 4. postnatálního týdne (přezkoumáno v 29,30), což se shoduje s rozvojem stabilní dlouhodobé potenciace (LTP31,32) a ustavením učení aPaměťfunkce33,34. Charakteristickým znakem postnatálního zrání mozku je synaptická nadprodukce a následné prořezávání35, díky čemuž jsou tyto vývojové procesy výjimečně citlivé na zážitky z prostředí36. Normální procesy postnatálního neurovývoje jsou pravděpodobně řízeny specifickými vzory genové exprese závislými na aktivitě a zkušenostech, které v konečném důsledku informují buněčnou funkci v okruzích37,38. Je tedy rozumné zaměřit se na definovaná období strukturálního a funkčního dozrávání hipokampu pomocí biologických myších modelů, aby se odkryla časová okna postnatálního vývoje, pomocí kterých může být funkce hipokampu trvale modulována zkušeností s cvičením.
V této studii jsme vyvinuli model dobrovolné fyzické aktivity během specifických vývojových období v raném věku u myší (cvičení v raném věku nebo ELE), abychom se zabývali hypotézou, že načasování cvičení během postnatálního hipokampálního zrání může vést k trvalým přínosům v kognitivních funkcích. funkce a synaptická plasticita. Čtvrtý týden života u myši (postnatální dny 21–27) budeme označovat jako „juvenilní“ období, odlišné od adolescence (5. -6. postnatální týdny, jak je uvedeno v 39,40). Ukázali jsme, že samci i samice myší, které procházejí cvičením během juvenilního období, vykazují povolený prostor závislý na hippocampuPaměťzvýšená dlouhodobá potenciace a změny synaptické excitability. Důležité je, že náš model ELE lze použít k odhalení časově specifických molekulárních mechanismů, které ELE zaujímá k trvalému ovlivnění funkce a chování neuronů.
Výsledek
Charakteristiky chování při běhu a přibírání na váze u myšího modelu cvičení v raném věku (ELE). Vzhledem k vývojovému načasování dobrovolného cvičení v tomto modelu jsme předpokládali, že budou existovat důležité rozdíly specifické pro pohlaví a běžecké skupiny v nárůstu hmotnosti a uběhnuté vzdálenosti v průběhu času. Tyto rozdíly by závisely na načasování (juvenilní a/nebo adolescence) a trvání (1- nebo 3-týdnů) expozice cvičení v raném věku. Samci a samice myší byli buď odstaveni přímo do klecí bez pojezdového kola (sed), vybavených pojezdovým kolem na P21 (skupiny juv ELE a juv-Adol ELE) nebo umístěni do klecí bez pojezdových kol až do P35 (skupina adol ELE, obr. 1a). Samostatná skupina myší byla umístěna se stacionárním kolem během P21–41 (sta). ELE myši byly ponechány běžet buď jeden týden (juv ELE a Adol ELE skupiny) nebo tři týdny (juv-Adol ELE skupina, obr. la). Všechny myši byly umístěny v páru, aby se zabránilo účinkům stresu ze sociální izolace41. Myši měly tendenci běhat během fáze tmy. U všech běžeckých skupin došlo k expozici cvičení buď těsně před, nebo během dospívajících růstových skoků u myší (obvykle k nim dochází během 4. -5 postnatálního týdne), takže přírůstek hmotnosti mezi P21 a P42 byl porovnán mezi skupinami sed a ELE a mezi pohlavími. Dvoucestná ANOVA odhalila významnou interakci mezi pohlavím a skupinou ELE, což naznačuje, že ELE má rozdílné účinky na přírůstek hmotnosti v závislosti na pohlaví (obr. 1b; F(4,94)=2.48, p {{26} }.049). Post hoc vícenásobná srovnání odhalila, že u samců měly myši juv-Adol ELE významně nižší hmotnostní přírůstek než pouze myši ELE (p=0,045). Myší samice chované se stacionárním kolečkem (sta) měly výrazně větší přírůstek hmotnosti než samice sed (p=0.0005), juv-Adol ELE (p=0.0007) a adol ELE samice (p < 0,0001).="" tyto="" nálezy="" naznačují,="" že="" delší="" trvání="" expozice="" ele="" (tři="" týdny)="" během="" juvenilní/adolescence="" významně="" snižuje="" přírůstek="" hmotnosti="" u="" samců="" myší,="" zatímco="" u="" samic="" myší="" vedla="" přítomnost="" stacionárního="" kola="" k="" většímu="" přírůstku="" hmotnosti="" než="" u="" myší="" v="" sedavých="" klecích="" bez="" běhání.="" kolo="" a="" myši,="" které="" běhaly="" během="">
Dále jsme se zabývali otázkou, zda existují rozdíly mezi pohlavími v denních a kumulativních běžeckých vzdálenostech v našich třech skupinách ELE. Samci a samice myší Jul-adol ELE postupně zvyšovali svou denní běžeckou vzdálenost během 3 týdnů (obr. 1c). Dvoucestná opakovaná měření ANOVA odhalila významný účinek postnatálního dne (F(3,57)=41,95, p < 0.00{{="" 58}}1)="" a="" významnou="" interakci="" se="" sexem="" (f(20,400)="2.15," p="0.003)." nebyl="" zjištěn="" žádný="" nezávislý="" vliv="" pohlaví="" na="" denní="" uběhnutou="" vzdálenost="" (f(1,20)="0,15," p="0,70)," ani="" nebyl="" mezi="" pohlavími="" významný="" rozdíl="" v="" celkové="" kumulované="" uběhnuté="" vzdálenosti="" (="" p="0.70)." při="" vyhodnocování="" pohybového="" chování="" myší="" běžících="" kratší="" dobu="" (1-týden)="" jsme="" zjistili,="" že="" postnatální="" dny="" měly="" významný="" vliv="" na="" denní="" běžeckou="" vzdálenost="" u="" juv="" ele="" myší="" (obr.="" 1d;="" f(3,51)="" {="" {29}},93,="" p="">< 0,0001).="" nebyl="" zjištěn="" žádný="" nezávislý="" vliv="" pohlaví="" na="" běžeckou="" vzdálenost="" (f(1,15)="1.11," p="0.31)" a="" žádná="" interakce="" (f(6,90)="1." 20,="" str.="0.31)." naproti="" tomu="" myši="" adol="" ele="" měly="" statisticky="" významnou="" interakci="" postnatální="" den="" x="" pohlaví="" (obr.="" 1e;="" f(6,84)="4.77," p="0.0003)." i="" když="" samice="" myší="" ele="" v="" dospívání="" měly="" ke="" konci="" období="" běhu="" v="" pubertě="" tendenci="" méně="" běhat,="" nedosáhlo="" to="" významnosti="" (p=""> 0,05). Podobně jako u všech ostatních běžeckých skupin, i u dospělých ELE myší se během postnatálních dnů významně zvýšilo běhání (F(4,58)=24,87, p < 0,0001).="" dále="" jsme="" porovnali="" denní="" a="" kumulativní="" běžecké="" vzdálenosti="" u="" 1-týdenních="" běžců,="" přičemž="" jsme="" očekávali,="" že="" běžecká="" vzdálenost="" bude="" u="" dospělých="" ele="" myší="" výrazně="" větší="" než="" u="" juv="" ele="" myší="" (bez="" ohledu="" na="" pohlaví)="" vzhledem="" k="" jejich="" vývojovému="" stádiu="" a="" rozdílům="" v="" tělesné="" hmotnosti="" při="" vstupu.="" běžecké="" klece.="" nebyly="" zjištěny="" žádné="" rozdíly="" mezi="" pohlavími="" v="" celkové="" uběhnuté="" vzdálenosti="" ve="" skupinách="" juv="" a="" adol="" ele="" (obr.="" 1f–h);="" nicméně="" kumulativní="" vzdálenost="" ujetá="" během="" příslušných="" období="" běhu="" byla="" významně="" větší="" ve="" skupině="" ele="" u="" dospělých="" ve="" srovnání="" se="" skupinou="" ele="" juv,="" a="" to="" platilo="" pro="" obě="" pohlaví="" (muži:="" t(15)="11.96," p="">< 0,0001;="" ženy:="" t(14)="4,69," p="0,0004)." celkové="" vzdálenosti="" uběhnuté="" na="" klec="" po="" dobu="" trvání="" zátěžové="" expozice="" byly="" následující:="" myši="" juv-adol="" ele;="" muži="87,8" ±="" 6,9="" km,="" ženy="92,2" ±="" 9,3="" km;="" juv="" ele="" myši;="" muži="14,7" ±="" 1,8="" km,="" ženy="12,29" ±="" 1,2="" km;="" adol="" ele="" myši;="" muži="53,6" ±="" 2,8="" m,="" ženy="41,8" ±="" 6,2="" km.="" sečteno="" a="" podtrženo,="" všechny="" běžecké="" skupiny="" a="" obě="" pohlaví="" myší="" postupně="" a="" významně="" zvyšovaly="" své="" běžecké="" vzdálenosti="" v="" průběhu="" času.="" kumulativní="" množství="" dobrovolného="" běhání="" během="" běžeckého="" období="" záviselo="" na="" tom,="" kdy="" bylo="" cvičení="" v="" raném="" věku="" zahájeno="" (v="" období="" juvenilní="" vs.="" v="">
Cvičení mladistvých umožňuje dlouhodobéPaměťu samců i samic myší trvalým způsobem. Předchozí studie prokázaly, že u dospělých myší je pro zlepšení dlouhodobé paměti navozené cvičením nutné minimálně 2–3 týdny cvičení42,43; nicméně, minimální množství cvičení je potřeba pro výhody pro učení aPaměťu juvenilních a dospívajících myší nebyla stanovena. Dále v
Obrázek 1. Experimentální design, trendy běhu a hmotnosti v raném cvičebním modelu. (a) Schéma experimentálního návrhu. Po odstavení na P21 byli samci a samice myší divokého typu v juv ELE a juvadol ELE umístěni v klecích vybavených kolečky pro dobrovolný běh na 1 týden (juv ELE) nebo 3 týdny (juvadol ELE). Myši Adol ELE byly umístěny v klecích na P35 a ponechány volně běhat po dobu 1 týdne. Všechny myši byly poté testovány v místě objektuPaměť(OLM) nebo obětováni pro elektrofyziologická studia. (b) Signifikantní rozdíl v hmotnosti získané během období ELE byl pozorován mezi skupinami samců juv ELE a juvadol ELE. Samice stacionárních myší přibraly výrazně více na váze než sedavé myši, myši juv-adol ELE a adol ELE myši. (c–e) Všechny myši ELE významně zvýšily svou běžeckou vzdálenost během počátečního období přístupu ke kolu. (f–h) V žádné skupině ELE nebyly zjištěny rozdíly mezi pohlavími v celkové kumulativní vzdálenosti. Data byla analyzována pomocí jednosměrné ANOVA s post-hoc srovnáním nebo Studentovými t-testy: **p Menší nebo rovno 0.01 a ***p Menší nebo rovno 0,001. n=8–12 cvičebních klecí na skupinu, 2 myši na klec. Experimentální návrhový diagram vytvořený s akademickým předplatným Biorender.com.
dospělých myší, vyvolaných cvičenímPaměťvýhody začnou mizet 3 dny po ukončení cvičení43. Zda ELE prospívá hipokampuPaměťna delší (nebo kratší) dobu než u dospělých myší po ukončení cvičení je nezodpovězená otázka. Testovali jsme proto následující hypotézy: 1) že stimul k učení je obvykle dlouhodobě nedostatečnýPaměťformace u sedavých myší divokého typu se může stát dostatečným po ELE (jako tomu je po 2–3 týdnech cvičení v dospělosti) a 2) načasování cvičení v raném věku během juvenilního a/nebo adolescentního období bude mít trvalý dopad na trvání ELE-indukovaných zlepšení v dlouhodobém horizontuPaměť.
Obrázek 2. Juvenilní-adolescentní ELE má za následek zlepšené rozpoznávání nových objektůPaměťu samců a samic myší. (a) Schéma experimentálního návrhu OLM. (b,c) Analýza habituace odhalila samce a samice dospívajících myší podobně navyknuté na komůrky OLM, bez ohledu na skupinu, jak bylo prokázáno významně zkrácenou vzdáleností ujetou ve studiích. (d) Akvizice OLM u {{0}}min trénovaných myších samců a samic neprokázala žádnou významnou diskriminaci objektů. (e) Během testování OLM všechny myši prokázaly významné zkoumání nově umístěného objektu a mezi skupinami nebyly žádné významné rozdíly v DI. (f) Žádné rozdíly v celkovém průzkumu během testování OLM u 10-min trénovaných myší. (g) Myši trénované 3-min během akvizice OLM neprokázaly preferenci objektu. (h) Samci myší Juv ELE a juv-adol ELE a samice myší juv ELE měli významnou preferenci pro objekt umístěný na novém místě ve srovnání se sedavými kontrolami, zatímco myši adol ELE nikoli. (i) Celkové doby průzkumu během testování OLM u 3-min trénovaných myší se mezi skupinami nebo pohlavími nelišily. Post hoc srovnání se skupinou „bez ELE“: (*p < 0,05;="" **p="">< 0,01;=""><0.005 vs="" no="" ele)="" and="" within-group="" comparisons="" vs="" olm="" training="" di:="" (#p="" <="" 0.05;="" ##p="" <="" 0.01;="" ###p="" <="" 0.005="" vs="" training="" di).="" n="6–12" mice="" per="" group.="" experimental="" design="" diagram="" generated="" with="" biorender.com="" academic="">
