Preiskava dnevnih variacij in spolnih razlik v nevrofiziologiji hipokampusa in prostorskem spominu 3. del

Da bi preučili razlike med spoloma in časom dneva, smo naš nabor podatkov stratificirali na podlagi območja sprednje-posteriorne osi, ki ji je sledila trosmerna faktorska ANOVA. Ugotovili smo, da spol ni imel pomembnega vpliva na več akcijskih potencialov, ustvarjenih kot odziv na injekcije depolarizirajočega toka v celicah, posnetih s sprednjih (p=0.321, glavni učinek spola, tristranska RM-ANOVA) ali posteriornih rezin (p=0.568, glavni učinek spola, trosmerna RM-ANOVA); tako so bili podatki obeh spolov združeni za končno analizo.

Spomin je zelo pomemben del naše življenjske poti. Na spomin se ne zanašamo le pri učenju novega znanja, ampak ga potrebujemo tudi pri reševanju problemov in sprejemanju odločitev.

Vendar je naše razumevanje mehanizmov nezadostno. Celice so osnovni gradniki našega telesa, kako so torej povezane s spominom? Celice igrajo pomembno vlogo pri spominu.

Prvič, znotrajcelično signaliziranje je osnova našega spomina. Med pomnjenjem in učenjem živčne celice spremenijo povezavo med nevroni, da tvorijo nove nevronske mreže. Ta sprememba se doseže z nevrotransmiterji, vključno z nevrotransmiterji in nevropeptidi. Nevrotransmiterji in nevropeptidi prenašajo te informacije skozi sinapse do ciljnih celic. Zato je znotrajcelični prenos signala pomemben del našega procesa učenja in spomina.

Drugič, kakovost in količina celic lahko vplivata tudi na naš spomin. Če v telesu nimamo dovolj celic, se počutimo utrujeni in imamo šibak spomin. Poleg tega raziskave kažejo, da lahko prehransko stanje celic vpliva tudi na učenje in spomin. Rezultati novih raziskav kažejo, da lahko živila, ki vsebujejo omega-3 maščobne kisline, izboljšajo kakovost in količino živčnih celic.

Poleg tega lahko naše celice s fizičnim gibanjem vplivajo tudi na spomin. Vadba lahko spodbuja novo generacijo živčnih celic in s tem izboljša naš spomin. Z vadbo se sproščajo nevrotrofični dejavniki, snovi, ki spodbujajo regeneracijo živčnih celic in nastajanje sinaptičnih povezav.

Če povzamemo, celice so osnova našega spomina in nanje vpliva naše vsakdanje življenje. V vsakdanjem življenju lahko spodbujamo izboljšanje spomina tako, da se izogibamo kajenju in zlorabi alkohola, vzdržujemo zdrav način življenja, uživamo hrano, ki vsebuje omega-3 maščobne kisline, in se ukvarjamo z ustrezno vadbo, zaradi česar so naši spomini jasnejši in srečnejši. Vidi se, da moramo izboljšati spomin. Cistanche deserticola lahko občutno izboljša spomin, saj je Cistanche deserticola tradicionalno kitajsko zdravilno sredstvo s številnimi edinstvenimi učinki, med katerimi je tudi izboljšanje spomina. Učinkovitost mletega mesa izhaja iz različnih učinkovin, ki jih vsebuje, vključno s kislino, polisaharidi, flavonoidi itd. Te sestavine lahko na različne načine spodbujajo zdravje možganov.

Kliknite poznajte dodatke za izboljšanje spomina

Sprednje celice, posnete ponoči, so sprožile več akcijskih potencialov kot tiste, zabeležene podnevi (p=0.046, glavni učinek časa dneva, dvosmerna RMANOVA; slika 7B). Vendar posteriorne celice niso pokazale statistične razlike med dnevom in nočjo v številu sproženih akcijskih potencialov (p=0.484, glavni učinek dvosmerne RM-ANOVA glede na čas dneva; slika 7E).

Preiskava osnovnega membranskega potenciala ni pokazala razlik v spolu ali času dneva v celicah, posnetih iz sprednjih rezin (p=0.572 in 0.535, glavni učinki spola in časa dneva dvosmerna ANOVA; slika 7C). Vendar pa so bili membranski potenciali celic, posneti iz posteriornih rezin ponoči, bolj depolarizirani kot tisti, posneti podnevi, ne glede na spol (p= 0.044, glavni učinek dvosmerne ANOVA glede na čas dneva; sl. .7F).

Pregledali smo 15 dodatnih lastnosti membrane, vključno z lastnostmi akcijskega potenciala posameznega akcijskega potenciala, ki ga izzovejo vbrizgavanje toka reobaze, upad in vhodni upor (tabela 1). V anteriornih nevronih (moški:0.295 6 0.01 ms, ženski: 0.275 6 0.01 ms je bil opazen pomemben učinek časa vzpona potenciala spolnega delovanja; p=0.047, dvosmerna ANOVA). Noben drug parameter ni dosegel statistične pomembnosti (Razširjena podatkovna tabela 1-1).

Glede na to, da sta proženje akcijskega potenciala in membranski potencial oba merila nevronske razdražljivosti, lahko sklepamo, da so piramidni nevroni CA1 v hipokampalnem krogu na splošno bolj razdražljivi ponoči, vendar se lahko mehanizmi, na katerih temelji to nočno povečanje razdražljivosti, razlikujejo po sprednji in zadnji osi hipokampusa.

Dnevno-nočne razlike v CA1 piramidni nevronevrizabilnosti niso intrinzične

Ker bi opaženo dnevno-nočno variacijo v razdražljivosti lahko povzročili sinaptični in/ali intrinzični dejavniki, smo ponovno ocenili razdražljivost v ločeni kohorti živali v prisotnosti sinaptičnih antagonistov (CPP, NBQX, GBZ), da bi izolirali piramidni nevron CA1 iz vezja Pod temi pogoji nismo ugotovili pomembnega vpliva časa dneva na število akcijskih potencialov, ustvarjenih kot odziv na injekcije depolarizirajočega toka v celicah, posnetih tako iz sprednje kot zadnje rezine (p=0.933 za sprednjo in p { {6}}.569 za posteriorni, glavni učinek časa dneva, dvosmerna RM-ANOVA; sl. 8A, D).

Poleg tega na izhodiščne potenciale pod temi pogoji nista vplivala čas dneva ali spol v celicah, posnetih iz obeh sprednjih celic (p=0.896 in 0.888, glavni učinek spola in časa dan, dvosmerni ANOVA; slika 8B) ali posteriorne rezine (p {{10}}.999 in 0,702, glavni učinek spola oziroma časa v dnevu, dvosmerni ANOVA; sl. 8E). Raziskane so bile dodatne lastnosti membrane v prisotnosti sinaptičnih antagonistov, vključno z lastnostmi akcijskega potenciala posameznih akcijskih potencialov, ki jih izzove vbrizgavanje reobaznega toka, upad in vhodni upor (tabela 2).

Hiperpolarizacija potenciala hitrega in srednjega delovanja (fAHP in mAHP) sta bili čez dan večji (fAHP: 5.776 0.74mV, mAHP: 9.296 0.65mV) v primerjavi z nočjo v sprednjem delu nevroni (fAHP: 4.08 6 0.51 mV, mAHP: 7.06 6 0.59 mV; p=0.044 in 0,024 za fAHP in mAHP, dvosmerno ANOVA; tabela 2). V anteriornih nevronih je bil fAHP večji pri moških (5.827 6 0.56 mV) v primerjavi z ženskami (3.98 6 0.58 mV; p=0.034, dvosmerna ANOVA; tabela 2). Noben drug parameter niti v anteriornih niti v posteriornih nevronih ni dosegel statistične pomembnosti (ExtendedData Table 1-1).

Na splošno odsotnost povečane nočne razdražljivosti nevronov (membranski potencial in hitrosti sproženja akcijskega potenciala) v prisotnosti sinaptičnih antagonistov kaže, da dnevne razlike v hitrem ekscitatornem in/ali inhibitornem sinaptičnem vnosu vsaj delno prispevajo k nočnemu povečanju razdražljivosti.

Diskusija

Tu smo preučili učinke spola in časa dneva na več vidikov fiziologije hipokampusa, od vedenja do fiziologije posameznih nevronov. Dokazujemo, da čas v dnevu vpliva na prostorsko učenje in spomin, velikost LTP, sinaptično inhibicijo piramidnih nevronov CA1 in razdražljivost piramidnih nevronov CA1. Ugotovili smo, da je spol najbolj vplival na razlike med dnevom in nočjo v delovanju OLM, medtem ko je bil njegov učinek na sinaptični prenos, velikost LTP in nevronsko razdražljivost subtilen ali pa ga ni bilo v celoti. Poleg tega smo ugotovili, da položaj vzdolž anteriorno-posteriorne osi pomembno vpliva na piramidalne nevrone CA1 vznemirljivo. Te ugotovitve ponazarjajo kompleksnost hipokampalne mreže in pomen upoštevanja dejavnikov, kot sta spol in čas dneva v prihodnjih študijah.

Medtem ko cirkadiani ritmi uravnavajo LTP in učenje in spomin, ki sta odvisna od hipokampusa, vloga spolnih in dnevnih razlik v teh procesih prej ni bila znana. Presenetljivo smo ugotovili, da cirkadiani ritmi uravnavajo od hipokampusa odvisno delovanje spomina na način, ki je odvisen od spola. Miši samci so se ponoči bolje odrezali pri nalogi OLM, kot smo že poročali (Takahashi et al., 2013; Snider et al., 2016). Samice pa so se čez dan odrezale bolje. Ni jasno, zakaj bi mišje samice delovale bolje med neaktivnim obdobjem, vendar je možna razlaga lahko estrusni cikel, ki v tej študiji ni bil nadzorovan.

Medtem ko je potrebnih več raziskav pri samicah v naravnem ciklu, da bi naredili dokončne zaključke o specifičnem vplivu estrusnega cikla na prostorski spomin, odvisen od hipokampusa, so študije na podganah pokazale, da so samice v proestrusu in estrusu boljše od samic v diestrusu pri prepoznavanju in postavljanju predmetov (Frye et al. ., 2007; Paris in Frye, 2008). Ravni estrogena dejansko vplivajo na uspešnost pri spominskih nalogah, odvisnih od hipokampusa, dajanje eksogenega estradiola pa poveča učinkovitost pri spominskih nalogah, odvisnih od hipokampusa (Luine et al., 2003; Li et al., 2004; Phan et al., 2012; Vedder et al., 2013, 2014; Tuscher et al., 2015). Razumevanje, kako se estrusni cikel in cirkadiani cikel konvergirata v modulacijo kognicije pri ženskah, bo zanimiva in pomembna tema za prihodnje raziskave.

Zanimivo je, da smo ugotovili, da se ti učinki spola na dnevne razlike v delovanju OLM niso razširili na dnevno regulacijo LTP, ki velja za celični korelat učenja in spomina. Pomembno je omeniti, da časa CT in ZT, uporabljena v obeh poskusih, nista popolnoma zrcalila drug drugega. Testi OLM so bili izvedeni sredi subjektivnih dnevnih in nočnih obdobij v stalni temi (CT štiri in CT 16), kot je prilagojeno iz (Snider et al., 2016), medtem ko so elektrofiziološki poskusi preučevali zgodnji dan in zgodnjo noč v ciklu LD (ZT 1–6 in ZT 12–18).

Kljub temu bi lahko bila ta nekoliko nepričakovana ugotovitev primer, kako je mogoče isti fiziološki proces (LTP) uporabiti za doseganje različnih rezultatov, odvisno od konteksta (moški proti ženskam). Poleg tega je naloga OLM, ki smo jo izbrali, odvisna od hipokampusa (Barker in Warburton, 2011); učenje in spomin sta zapletena procesa, ki se lahko zanašata na več spominskih sistemov in morda se ženske bolj zanašajo na druga vezja kot moški. Poleg tega lahko estrusni cikel vpliva na učne strategije in relativne prispevke različnih ženskih spominskih vezij (Korol et al., 2004).

Zato lahko učinke, odvisne od spola, opažene pri nalogi OLM, posreduje mehanizem, ki ni LTP v sinapsi CA3-CA1. Možno je tudi, da je uporabljena visokofrekvenčna stimulacija, v nasprotju z bolj fiziološko stimulacijo (tj. theta izbruh), morda ovirala odkrivanje spolno odvisne regulacije LTP. Dodatna omejitev OLMassay, ki jo je treba omeniti, je možna motnja vedenjskih ritmov, ki je posledica ponavljajočega se ravnanja (5 min/d) 4 pred usposabljanjem in testiranjem. Ne glede na to pa ti rezultati ponazarjajo pomen upoštevanja spola in ure pri načrtovanju raziskovalnih študij in razlagi rezultatov.

Prejšnje delo našega laboratorija je pokazalo, da piramidni nevroni sIPSCsonto CA1 kažejo dnevne razlike, ki so izgubljene v mišjem modelu Alzheimerjeve bolezni (Fusilier et al., 2021). Tukaj smo ponovili in razširili prejšnje ugotovitve s preučevanjem sIPSC pri obeh spolih in izvedbo dodatnih poskusov v prisotnosti TTX (mIPSC), da bi začeli identificirati presinaptične in postsinaptične mehanizme, ki prispevajo k dnevnim razlikam. Pomanjkanje dnevnih razlik v mIPSC IEI nakazuje, da je od akcijskega potenciala odvisna inhibicija na piramidne celice CA1 večja podnevi kot ponoči tako pri samcih kot samicah miši. Glede na to, da so bili ti zaviralni tokovi farmakološko izolirani z antagonisti glutamatnih receptorjev, se verjetno spontano ustvari povečana dnevna internevroaktivnost. Predhodna poročila dejansko kažejo, da so nekateri internevroni v območju CA1 spontano aktivni (Sik et al., 1995; Maccaferri in McBain, 1996; Oliva et al., 2000; Amilhon et al., 2015; Huh et al., 2016; Miri et al. ., 2018); vendar manjkajo dokončni dokazi o dnevnih variacijah spontanega proženja internevronov v hipokampusu in bodo pomembno področje prihodnje študije, ki bi lahko zagotovila vpogled v cirkadiano disfunkcijo, povezano z boleznimi, ki vključujejo hiperekscitabilnost hipokampalne mreže, vključno z Alzheimerjevo boleznijo in epilepsijo.

Poleg prejemanja zaviralnih vnosov iz lokalnih internevronskih populacij prihaja glavni vzbujevalni vnos v piramidne celice CA1 iz aksonov glavnih nevronov spodnjega območja CA3 (Schafferjeva kolaterala; CA3piramidalne celice) ali entorhinalnega korteksa (temperoamonična pot). Preiskava sEPSC je pokazala, da je trend ekscitatornega vnosa na piramidne celice CA1 večji ponoči kot podnevi. V odsotnosti sproščanja nevrotransmiterjev, odvisnega od akcijskega potenciala, ta pojav vztraja pri moških, ne pa tudi pri ženskah, kar nakazuje, da je povečano nočno vzburjenje pri ženskah verjetno posledica akcijskega potenciala. Piramidne celice CA3 kažejo tudi dnevne razlike v razdražljivosti, tako da nočne celice kažejo večji kalcijev tok, zmanjšano naknadno hiperpolarizacijo in zmanjšano prilagoditev frekvence konic v primerjavi z dnevnimi celicami (Kole et al., 2001). Ta povečana nočna razdražljivost piramidnih celic CA3 bi se lahko prevedla v povečan sEPSC na piramidne celice CA1 ponoči v primerjavi z dnevom.

Nato smo želeli preučiti, kako lahko dnevne variacije v ekscitatornem in inhibitornem sinaptičnem prenosu vplivajo na razdražljivost piramidnega nevrona CA1. Prejšnja študija na podganah je odkrila, da razdražljivost membrane niha v cirkadianem času in da so bili nevroni bolj depolarizirani med subjektivno nočjo/subjektivnim zgodnjim dnevom (Naseri Kouzehgarani et al., 2020). Nedavna študija je odkrila povečano nočno razdražljivost mišjih piramidnih nevronov CA1 (Fusilier et al., 2021). Tukaj smo ponovili prejšnje ugotovitve in razširili našo študijo, da bi upoštevali morebitne razlike med spoloma in vpliv anteriorno-posteriorne hipokampalne osi. Na splošno smo ugotovili, da so bili v nepoškodovanem sinaptičnem vezju (tj. brez sinaptičnih antagonistov) piramidni nevroni CA1 bolj razburljivi ponoči v primerjavi s podnevi, ne glede na spol. Zanimivo je, da nočno povečanje razdražljivosti ni bilo enakomerno po anteriorno-posteriorni osi hipokampusa. Medtem ko so nevroni, posneti iz sprednjih rezin, sprožili več akcijskih potencialov kot odziv na injekcije depolarizirajočega toka in niso pokazali dnevne razlike v izhodiščnem membranskem potencialu, so bili posteriorni nevroni ponoči bolj depolarizirani, vendar niso pokazali statistično značilnega nočnega povečanja več sproženih akcijskih potencialov.

Te ugotovitve kažejo, da so lahko osnovni mehanizmi za nočno povečanje nevronske razdražljivosti različni, odvisno od lokacije v anteriorno-posterioraksisu. Medtem ko je naša priprava koronalne rezine pomenila, da nismo mogli resnično izolirati ventralnega hipokampusa od dorzalnega hipokampusa, smo opazili, da so nevroni iz posteriornih rezin pokazali značilnosti, skladne s predhodno objavljenimi podatki, zbranimi iz piramidnih nevronov ventralnega CA1, medtem ko so bili nevroni iz anteriornih rezin skladni s podatki, ki so preučevali dorzalne piramidne nevrone CA1 ( Malik et al., 2016; Milior et al., 2016). Natančneje, posteriorni (ventralni podobni) nevroni so bili bolj vznemirljivi v primerjavi z anteriornimi nevroni, dosegli so največjo hitrost vžiga prej kot anteriorni nevroni, imeli so večji vhodni upor in nižje vrednosti reobaze v primerjavi s sprednjimi ( hrbtno podobni) nevroni. Glede na znane razlike v morfologiji dendritov in ekspresiji ionskih kanalov indorzalno v primerjavi z ventralnimi nevroni hipokampusa (Bannermanet sod., 2004; Fanselow in Dong, 2010; Marcelin in sod., 2012; Dougherty in sod., 2012, 2013; Hönigsperger in sod., 2015; Kim in Johnston, 2015; Malik in sod., 2016; Milioret sod., 2016; Soltesz in Losonczy, 2018), ni presenetljivo, da so lahko mehanizmi, ki so podlaga za nerazdražljivost dnevnih razlik, med temi populacijami različni. Odsotnost razlik dan-noč v nevronska razdražljivost v prisotnosti sinaptičnih antagonistov kaže, da sinaptični vnosi vsaj delno prispevajo k nočnemu povečanju razdražljivosti. Vendar so potrebni prihodnji poskusi za določitev specifične vloge tako sinaptičnih kot intrinzičnih dejavnikov pri uravnavanju dnevnih razlik v fiziologiji piramidnih nevronov CA1.

Poleg tega je bila razlika med sprednjimi in posteriornimi celicami zmanjšana v prisotnosti sinaptičnih antagonistov, kar kaže, da bi lahko bili sinaptični dejavniki vsaj delno odgovorni za nekatere regionalne razlike, ki smo jih opazili. Zanimivo bo zožiti, kako se izražanje in delovanje različnih nevrotransmiterskih receptorjev in ionskih kanalov modulira tako v času dneva kot na lokaciji vzdolž vzdolžne osi. Prednost tehnike slepega zaplata, uporabljene v tej študiji, je zmožnost zbiranja podatkov iz nevronov, ki se nahajajo globoko pod površino tkiva, kjer sta zdravje in sposobnost preživetja celic največja, vendar bi bilo vizualizirano ciljanje nevronov težko. Vendar pa ta pristop prepoveduje ciljanje na specifične nevronske subpopulacije ; tako so bili v študijo vključeni piramidni nevroni po vseh področjih sloja piramidnih celic CA1. Prihodnje študije, ki preučujejo učinke časa dneva in spola v različnih subpopulacijah piramidnih celic CA1 (npr. globoki proti površinskim nevronom), bodo koristne za razumevanje fiziologije, specifične za tip celice.

Hipokampus je eden najbolj raziskanih in dobro opredeljenih vezij v možganih sesalcev. Vendar pa večina znanja o tem, kako deluje to vezje, temelji na študijah, izvedenih podnevi na, večinoma samcih, nočnih glodavcih. Neupoštevanje dejavnikov, kot sta čas dneva in spol, vodi do nepopolne slike fiziologije hipokampusa in njegovega dinamičnega delovanja v različnih kontekstih. Spol in čas dneva sta še posebej pomembna dejavnika za translacijsko relevantnost preučevanja hipokampusa v modelih bolezni, kot sta Alzheimerjeva bolezen ali epilepsija, na katere vplivajo cirkadiani ritmi in lahko različno prizadenejo moške in ženske.

Pomembno je omeniti, da so bili vsi poskusi v tej študiji izvedeni v ciklu svetlo-temno, razen poskusov, ki testirajo OLM. Zato so potrebne prihodnje študije v stalnih pogojih za določitev vloge cirkadianega sistema na opažene dnevne razlike. Medtem ko so bile tukaj preučene le dve časovni točki, bo zanimivo in koristno ugotoviti, kako je fiziologija hipokampusa dinamična v več časovnih točkah v cirkadianem ciklu v prihodnjih študijah. Na koncu ta študija razkriva dnevne variacije hipokampalne sinaptične in nevronske funkcije ter poudarja pomen upoštevanja spola, cirkadianih ritmov in nevronske heterogenosti v možganski regiji pri preučevanju nevronskih vezij.

Reference

Amilhon B, Huh CYL, Manseau F, Ducharme G, Nichol H, Adamantidis A, Williams S (2015) Parvalbuminski internevroni hipokampusa prilagajajo populacijsko aktivnost na theta frekvenci. Nevron86:1277–1289.

Bannerman DM, Rawlins JNP, McHugh SB, Deacon RMJ, Yee BK, Bast T, Zhang WN, Pothuizen HHJ, Feldon J (2004) Regionalne disociacije znotraj hipokampusa – spomin in anksioznost. NeurosciBiobehav Rev 28: 273–283.

Barker GRI, Warburton EC (2011) Kdaj je hipokampus vključen v prepoznavni spomin? J Neurosci 31: 10721–10731.

Poleg RC, Rogers CO, Paul JR, Hablitz LM, Johnson RL, McMahonLL, Gamble KL (2017) aktivnost GSK3 uravnava ritme v izražanju genov hipokampalne ure in sinaptični plastičnosti. Hipokampus 27: 890–898.

Buijs RM, Soto Tinoco EC, Hurtado Alvarado G, Escobar C (2021) Cirkadiani sistem: od ur do fiziologije. Handb ClinNeurol 179: 233–247.

Cao G, Nitabach MN (2008) Cirkadian nadzor razdražljivosti membrane v nevronih lateralne ventralne ure Drosophila melanogaster. JNeurosci 28: 6493–6501.

Chao OY, Huston JP, Nikolaus S, de Souza Silva MA (2016)Sočasno ocenjevanje spomina na predmet in kraj: dokazi za različno prednostno pomembnost peririnalne skorje in hipokampusa ter prognostični učinek nevrokinin-3 R agonista. Neurobiol Learn Mem 130: 149–158.

Chaudhury D, Wang LM, Colwell CS (2005) Cirkadijska regulacija dolgoročne potenciranosti hipokampusa. J Biol Rhythms 20: 225–236.

Colwell CS (2021) Opredelitev cirkadianih motenj pri nevrodegenerativnih motnjah. J Clin Invest 131: e148288.

Cook RL, Kelso NE, Brumback BA, Chen X (2016) Analitične strategije za ovrednotenje povezave časovno spremenljivih izpostavljenosti z izidi, povezanimi z virusom HIV: uživanje alkohola kot primer. Curr HIVRes 14:85–92.

Davis JA, Paul JR, McMeekin LJ, Nason SR, Antipenko JP, YatesSD, Cowell RM, Habegger KM, Gamble KL (2020) Diete z visoko vsebnostjo maščob in saharoze poslabšajo razlike v času dneva v prostorskem delovnem spominu mišjih samcev. Debelost (Silver Spring) 28: 2347–2356.

For more information:1950477648nn@gmail.com