Vadba na tekalni stezi preprečuje upad prostorskega učenja in spomina pri miših 3×Tg-AD z izboljšanjem strukturne sinaptične plastičnosti hipokampusa in prefrontalnega korteksa 1. del

Povzetek:

Za Alzheimerjevo bolezen (AD) so značilne motnje učenja in spomina. Patološka značilnost AD so spremembe števila in velikosti sinaps, dolžine aksona, dendritične zapletenosti in števila dendritičnih hrbtenic v hipokampusu in prefrontalnem korteksu.

Alzheimerjeva bolezen je nevrodegenerativna bolezen, ki prizadene predvsem bolnikov spomin, sposobnost razmišljanja in vsakodnevno življenje. Čeprav je spomin bolnikov z Alzheimerjevo boleznijo prizadet, jih še vedno lahko razumemo in jim pomagamo z več vidikov.

Prvič, čeprav bo spomin bolnikov z Alzheimerjevo boleznijo postopoma upadal, njihove senzorične sposobnosti in sposobnost čustvenega izražanja niso prizadete. Zato jim lahko pomagamo tako, da poskrbimo za njihove fizične potrebe in se posvetimo njihovim čustvenim potrebam.

Drugič, izgubo spomina pri bolnikih z Alzheimerjevo boleznijo je mogoče ublažiti z usposabljanjem in izboljšanjem pozornosti. Bolniki lahko na primer razgibajo svoje možgane in izboljšajo svoj spomin z branjem knjig in sodelovanjem v glasbenih dejavnostih ali igrah. Še več, če lahko družinski člani in skupnosti nudijo podporo in pomoč bolnikom, je lahko učinek teh dejavnosti pomembnejši.

Končno bi morali družbo spodbuditi k večji pozornosti in razumevanju bolnikom z Alzheimerjevo boleznijo. Bolniki potrebujejo našo družbo in podporo, ne le zanašanje na spomin. Šele ko je družbeno okolje polno ljubezni in skrbi, je mogoče bolnikovo stanje bolje zdraviti in obvladovati.

Skratka, razmerje med Alzheimerjevo boleznijo in spominom je zelo zapleteno, vendar bi morali bolnikom aktivno pomagati, izboljšati kakovost njihovega življenja in spodbujati družbo, da je pozorna na njihov položaj in ga razume. Upam, da lahko vsak izmed nas v prihodnosti ustvari boljšo in bolj harmonično družbo. Vidi se, da moramo izboljšati spomin, in Cistanche lahko bistveno izboljša spomin, saj lahko uravnava tudi ravnovesje nevrotransmiterjev, kot je povečanje ravni acetilholina in rastnih faktorjev, ki so zelo pomembni za spomin in učenje. Poleg tega lahko Cistanche izboljša pretok krvi in ​​spodbuja dostavo kisika, kar lahko zagotovi, da možgani dobijo dovolj hranil in energije, s čimer se izboljša vitalnost in vzdržljivost možganov.

Kliknite Know za izboljšanje kognitivnih funkcij

Vadba na tekalni stezi lahko izboljša sinaptično plastičnost pri mišjih ali podganjih modelih možganske kapi, ishemije in demence. Namen te študije je bil preučiti učinke vadbe na tekalni stezi na učenje in spomin ter strukturno-sinaptično plastičnost pri miših 3×Tg-AD, mišjem modelu AD.

Tukaj prikazujemo, da 12 tednov vadbe tekalne steze, ki se začne pri trimesečnih miših, izboljša prostorski delovni spomin pri šestmesečnih miših 3×Tg-AD, medtem ko so šestmesečne miši 3×Tg-AD, ki niso izvajale vadbe, pokazale oslabljen prostorski delovni spomin.

Da bi raziskali možne mehanizme za izboljšanje prostorskega učenja in spomina, ki ga povzroči vadba na tekalni stezi, smo pregledali strukturno sinaptično plastičnost v hipokampusu in prefrontalnem korteksu šestmesečnih miši 3 × Tg-AD, ki so bile 12 tednov podvržene vadbi na tekalni stezi.

Ugotovili smo, da je vadba na tekalni stezi povzročila povečanje števila sinaps, sinaptičnih strukturnih parametrov, izražanja sinaptofizina (Syn, presinaptični marker), dolžine aksona, kompleksnosti dendritov in števila dendritičnih bodic pri miših 3×Tg-AD ter obnovljenih ti parametri na podobne ravni kontrolnih miši brez Tg brez vadbe na tekalni stezi. Poleg tega je vadba na tekalni stezi izboljšala tudi te parametre pri kontrolnih miših brez Tg.

Krepitev strukturne sinaptične plastičnosti lahko predstavlja potencialni mehanizem, s katerim vadba na tekalni stezi preprečuje upad prostorskega učenja in spomina ter izgubo sinapse pri miših 3 × Tg-AD.

Ključne besede: telovadba; spomin; sinaptični; dendritične bodice; strukturna sinaptična plastičnost; 3 × Tg-AD miši.

1. Uvod

Alzheimerjeva bolezen (AD) je progresivna nevrodegenerativna bolezen, za katero sta najpogosteje značilna okvara spomina in kognitivni upad [1]. Težave pri pomnjenju na novo naučenih informacij ali izguba kratkoročnega spomina je zgodnji simptom AD [2].

Ko bolezen napreduje, bolniki z AD postopoma doživljajo dolgotrajno izgubo spomina, kar resno vpliva na kakovost življenja. Za patologijo AD je značilno kopičenje amiloidnih (A) plakov in tau nevrofibrilarnih pentlj v hipokampusu in prefrontalnem korteksu (PFC), ki sta ključni strukturi pri učenju in spominu [3–6].

Prejšnje študije kažejo, da lahko A in tau poslabšata spomin z motenjem sinaptične plastičnosti v hipokampusu in prefrontalnem korteksu [7,8].

Ta sinaptična plastičnost vključuje od aktivnosti odvisne spremembe sinaptične učinkovitosti in preoblikovanja, kalitev aksonov in dendritičnega modeliranja ter dinamiko dendritične hrbtenice.

V študijah na živalih so topni A-oligomeri v nanomolarnih koncentracijah, ekstrahirani neposredno iz možganske skorje tipičnih bolnikov z AD ali pridobljeni iz sintetičnega peptida, zmotili spomin na naučeno vedenje z močnim zaviranjem dolgoročne potenciacije (LTP), kar je povečalo dolgotrajno depresijo (LTD), zmanjšanje gostote dendritične hrbtenice hipokampusa [9–11].

Medtem je bilo dokazano, da sta prostorsko učenje in motnje spomina posledica sinaptične disfunkcije tako pri nečloveških bolnikih kot pri različnih transgenih mišjih modelih AD, npr. AppNL-GF [12,13], Tg2576 [14], APP/PS1 [15], 5 × FAD [16] in 3 × Tg-AD [17].

Zmanjšano sinaptično funkcijo so pogosto opazili pri mladih miših pred razvojem plakov, kar je pokazalo, da oligomeri A sprožijo sinaptične primanjkljaje pred nastankom plakov [18]. Medtem študije z uporabo računalniške tomografije (CT) in slikanja z magnetno resonanco (MRI) kažejo, da se hipokampalna in prefrontalna skorja ljudi z Alzheimerjevo boleznijo dramatično zmanjšata, ko bolezen napreduje [19,20].

AD je vse bolj razširjen po vsem svetu, vendar nobeno razpoložljivo zdravljenje ne more ozdraviti ali upočasniti napredovanja te bolezni. Nakopičeni dokazi kažejo, da telesna vadba zmanjšuje amiloidno breme, izboljšuje sinaptično plastičnost ter primanjkljaje pri učenju in spominu pri modelih AD pri glodavcih in upočasni napredovanje patoloških sprememb v možganih [21–28].

Telesna vadba lahko deluje preko različnih mehanizmov v različnih eksperimentalnih modelih. Aerobna vadba lahko poveča možganski krvni pretok, izboljša uporabo kisika in uravnava ekspresijo rastnih faktorjev, ki spodbujajo sinaptično plastičnost in nevrogenezo ter lahko neposredno blagodejno vpliva na delovanje možganov [29–31].

Vključeni mehanizmi vključujejo povečano regulacijo genske ekspresije molekularnih tarč, povezanih z učenjem in spominom, sinaptično plastičnostjo in preživetjem nevronov [30].

Poleg tega bi lahko aerobna vadba izboljšala pomanjkanje učenja in spomina tako, da bi odpravila izgubo sinapse v hipokampusu in korteksu pri starajočih se podganah, podganjem modelu vaskularne demence in modelu okluzije/reperfuzije srednje možganske arterije (MCAO/R) [31–33].

Ta študija bo preučila učinke 12-tedenske vadbe na tekalni stezi na prostorsko učenje in spomin z uporabo radialnega labirinta z osmimi kraki pri šestmesečnih miših 3×Tg-AD.

Nato se raziščejo morebitni vpleteni mehanizmi. Znano je, da sta hipokampus in prefrontalni korteks kritični možganski regiji za prostorsko učenje in spomin [34].

Menijo, da je sinaptična plastičnost v hipokampusu in prefrontalnem korteksu celična osnova učenja in spomina, ki je odvisna od krepitve sinaptičnih povezav [35].

Prejšnje študije so odkrile, da je večja sinaptična aktivna cona bolj učinkovita pri vzbujanju postsinaptičnih nevronov in skrajšanje aktivne cone lahko odraža stanje oslabljene učinkovitosti sinaptičnega prenosa [36].

Nevrotransmiter difundira skozi sinaptično špranjo in se veže na receptorske proteine ​​na membrani postsinaptičnega nevrona, kar povzroči, da se ionski kanali v postsinaptični membrani odprejo ali zaprejo.

Optimalno skrajšanje obsega sinaptične špranje in zgostitev postsinaptične gostote (PSD) lahko povečata učinkovitost sinaptične transmisije [37–39]. Poleg tega akson, dendritične in dendritične trne predstavljajo strukturno osnovo strukturne sinaptične plastičnosti.

V tej študiji smo ugotavljali, ali je 12 tednov predhodne vadbe na tekalni stezi spremenilo A-inducirano okvaro strukturne sinaptične plastičnosti v hipokampusu in prefrontalnem korteksu pri šestmesečnih miših 3 × Tg-AD.

Ugotovili smo, da je 12 tednov vadbe na tekalni stezi preprečilo poslabšanje prostorskega učenja in spomina pri šestmesečnih miših 3×Tg-AD in da je vadba na tekalni stezi privedla do povečane strukturne sinaptične plastičnosti s povečanjem števila sinaps in sinaptičnih strukturnih parametrov, izražanja sinaptofizina (Syn ), dolžino aksona, kompleksnost dendritov in število hrbteničnih dendritov. Ti mehanizmi so lahko osnova izboljšanja učenja in spomina, ki ga povzroča vadba na tekalni stezi.

2. Materiali in metode

2.1. Živali

Trojno transgene Alzheimerjeve bolezni (3×Tg-AD) miši samci (ki nosijo transgene PS1M146Vknockin, APPswe in TauP301L) so bili pridobljeni iz The Jackson Laboratory. Starostno ujemajoče se miši C57BL/6J samci so bili uporabljeni kot ne-transgene (Non-Tg) kontrole.

Študija je bila izvedena na 3-mesečnih miših 3×Tg-AD (n=20) in miših brez Tg (n=20). Vsem živalim je bil omogočen ad libitum dostop do hrane in vode v prostoru, v katerem so vzdrževali nadzorovano temperaturo (23 ± 1 °C) in vlažnost (40–60 %), z 12-urnim ciklom svetlo-tema.

Miši smo obravnavali vsak dan 3–6 dni pred vedenjskimi poskusi. Vse vzdrževanje in uporaba živali je potekala po protokolih, ki jih je odobril etični odbor Pekinške športne univerze (2015015).

2.2. Protokol vadbe na tekalni stezi

Pri starosti 3 mesecev so miši naključno razporedili v štiri skupine (n=10 vsaka): kontrolna skupina brez Tg, skupina za vadbo brez Tg, kontrolna skupina 3 × Tg-AD in skupina za vadbo 3 × Tg-AD .

Vse vadbene miši so se lahko prilagodile na tek po tekalni stezi 30 minut 3 zaporedne dni (prvi dan pri 5 m/min; drugi in tretji dan pri 10 m/min).

Nato so bile te miši izpostavljene protokolu vadbe na tekalni stezi s hitrostjo 12 m/min na 0◦ klancu 10 minut, nato 15 m/min 50 minut. Skupaj so miši trenirali 1 uro na dan, 5 dni na teden, skupaj 12 tednov.

Glede na naš test z zaprto enopasovno tekalno stezo, priključeno na sistem Oxymax/Comprehensive Laboratory Animal Monitoring System, ta dolgotrajni vadbeni protokol ohranja intenzivnost vadbe od 50 % do 65 % VO2max.

Miši v kontrolni skupini brez Tg in kontrolni skupini s 3 × Tg-AD so pustili na tekalni stezi, ne da bi tekle, enako obdobje kot vadbene skupine. Najprej smo izvedli test z osemkrakim radialnim labirintom za vse miši (10 miši v vsaki skupini, starih 6 mesecev).

Nato smo pregledali histološke nepravilnosti z barvanjem po Golgiju (3 miši v vsaki skupini), Western blotom (3 miši v vsaki skupini) in elektronsko mikroskopijo (4 miši v vsaki skupini) (slika 1A).

Slika 1. Vadba na tekalni stezi preprečuje upad prostorskega učenja in spomina pri miših 3 × Tg-AD. (A) Časovnica nadzora vadbe ali nevadbe na tekalni stezi, vedenjski test in histološki test. (B)

Odstotek napak delovnega spomina 5. in 6. dan je bil znatno povečan pri miših 3×Tg-AD v primerjavi s kontrolno skupino brez Tg (B; ** p < 0.01, n=10 miši).

Povečanje odstotka napak delovnega spomina so preprečile predhodne obdelave vadbe na tekalni stezi (B; ## p < {{0}}.01,n=10 miši). (C) Ni bilo pomembnih učinkov na odstotek napak v referenčnem spominu med kontrolo brez Tg, vadbo brez Tg, kontrolo 3 × Tg-AD in mišmi z vadbo 3 × Tg-AD (C; p > 0,05, n {{ 11}} miši).

2.3. Preizkus radialnega labirinta z osmimi kraki

Radialni labirint z osmimi kraki je bil sestavljen iz osrednje ploščadi s premerom 18 cm in osmih krakov, ki so segali od osrednje ploščadi, vsak je bil dolg 30 cm, širok 7 cm in visok 15 cm, z enako kotno razdaljo med sosednjima krakoma. Osmerokraki radialni labirint je bil pobarvan modro.

Na koncu vsake roke je bila skodelica s hrano s premerom 3 cm in globino 1 cm. Med vsakim krakom in središčem labirinta so bila vrata. Videokamera, nameščena nad labirintom, je bila povezana z računalnikom za snemanje gibanja živali.

Labirint je bil dvignjen 35 cm nad tlemi v slabo osvetljenem prostoru z več dodatnimi znaki za labirint. V celotnem eksperimentalnem procesu je bila kot hrana uporabljena čokolada. Podatki so bili analizirani s programsko opremo za etološko video analizo (JLBehv-8ARMM, ShanghaiJiliang Company, Šanghaj, Kitajska).

Da bi povečali motivacijo za čokolado v protokolu radialnega labirinta, so miši omejili hrano še en teden, da so dosegle 80–85 % prvotne telesne teže, in jih vzdrževali pod temi pogoji med celotno študijo.

Naloga radialnega labirinta je bila razdeljena na prilagoditvene in pridobitvene seje. V dveh zaporednih dneh prilagoditvene seje je bila vsaka miška postavljena na osrednjo začetno ploščad.

Po 10 s so se odprla vsa vrata in miš je smela 10 minut raziskovati in uživati ​​hrano (0,08 g čokolade) v vsakem kraku labirinta. Seja pridobivanja je bila sestavljena iz enega poskusa, ki se je izvajal enkrat na dan 10 zaporednih dni.

Štiri roke (1, 3, 5 in 7) so bile vabe s čokoladnimi nagradami. Miši so bile postavljene v sredino labirinta in po 10 s so se odprla vsa vrata. Aktivnosti miši so bile samodejno posnete in nato analizirane s sistemom za video sledenje.

Vstop roke je bil preštet, ko so vse štiri tačke miške prečkale začetek roke. Preskus se je nadaljeval, dokler miš ni vstopila v vse štiri krake z vabo. Na koncu poskusa so miško vrnili v domačo kletko.

Vstop v krak brez vab je bil obravnavan kot napaka referenčnega spomina, ponovni vstop v predhodno obiskan krak z vabami pa kot napaka delovnega spomina.

Pri tabeliranju uspešnosti je bil odstotek napak delovnega spomina (kratkoročni spomin) definiran kot vsi ponovljeni vnosi med skupnimi vnosi, odstotek napak referenčnega spomina (dolgoročni spomin) pa kot odstotek vstopov v roko brez vab in tistih brez zaužitja vabe pri vnosu rok z vabami od vseh vnosov [40,41].

2.4. Golgijevo barvanje

Za kvantifikacijo morfoloških sprememb sta bila hipokampus in prefrontalni korteks obarvana z Golgijevim kompletom za barvanje (FD Rapid Golgi Stain Kit PK-401, FD NeuroTechnologies, Columbia, MD, ZDA) po navodilih proizvajalca.

Na kratko, možgane smo ekstrahirali in dali v kozarce z 20 ml raztopine Golgi-Coxa za 17 dni v temi, preden smo jih s kriostatom (Leica, Nussloch, Nemčija) razrezali na 60 µm rezine.

Odseke smo inkubirali v raztopini za barvanje 10 minut, dehidrirali v seriji naraščajočega etanola (50 %, 70 %, 95 % in 100 %) in dvakrat očistili v ksilenu. Nazadnje so bili diapozitivi pokriti s Permountom.

Piramidalne celice iz področja CA1 hipokampusa ali plasti V prefrontalnega korteksa so bile narisane z uporabo mikroskopa pri povečavi 200 × in 1000 ×.

Nevroni so bili izbrani, če niso bili zakriti (z vaskulaturo, glialnimi celicami ali drugimi nevroni) in so bili videti v celoti obarvani in nedotaknjeni znotraj odseka.

Dolžina aksona je bila izmerjena z ročnim sledenjem nevrita od meje some do konice aksona [42]. Morfologijo dendritov smo ocenili s Shollovo analizo.

Prozorna mreža z enako oddaljenimi (10 µm) koncentričnimi obroči je bila centrirana nad dendritične sledi dreves. Število presečišč obročev je bilo uporabljeno za oceno skupne dolžine dendritov in dendritične karborizacije [43–45].

Končno smo zbrali 9–13 odsekov v hipokampusu CA1 in prefrontalnem korteksu plasti V pri 3 miših v vsaki poskusni skupini. Za izračun števila hrbtenice je bila izsledena dolžina dendrita (vsaj večja od ali enaka 10 µm dolgim ​​dendritom 2. reda) (pri 1000 ×). Izračunana je bila natančna dolžina vsake dendritične veje in prešteto število bodic vzdolž dolžine (da bi dobili trne/10 µm) [43].

The length of dendritic filopodia is normally >3 µm in<10 µm [46]. The morphology of spines is commonly categorized into three types: thin, mushroom, and stubby [47]. 

Trne se štejejo za tanke, če je dolžina večja od premera vratu in sta premera glave in vratu podobna. Bodice so razvrščene kot gobe, če je premer glave večji od premera vratu. Bodice veljajo za čokate, če sta dolžina in širina enaki.

For more information:1950477648nn@gmail.com