Examinarea variației diurne și a diferențelor de sex în neurofiziologia hipocampului și memoria spațială Partea 3

Pentru a examina diferențele de sex și de timp, ne-am stratificat setul de date pe baza regiunii axei anterioară-posterior, urmată de ANOVA factorial cu trei căi. Am descoperit că sexul nu a avut un efect semnificativ asupra mai multor potențiale de acțiune generate ca răspuns la injecțiile de curent depolarizante în celulele înregistrate fie din secțiunile anterioare (p=0.321, principalul efect al sexului, RM-ANOVA în trei căi), fie din porțiunile posterioare (p).=0.568, efectul principal al sexului, RM-ANOVA cu trei căi); astfel, datele de la ambele sexe au fost reunite pentru analiza finală.

Memoria este o parte foarte importantă a călătoriei vieții noastre. Nu numai că ne bazăm pe memorie pentru a învăța noi cunoștințe, dar avem și nevoie de ea pentru a ne ajuta să rezolvăm problemele și să luăm decizii.

Cu toate acestea, înțelegerea noastră a mecanismelor este insuficientă. Celulele sunt elementele de bază ale corpului nostru, deci cum se leagă ele de memorie? Celulele joacă un rol esențial în memorie.

În primul rând, semnalizarea intracelulară este baza memoriei noastre. În timpul memoriei și învățării, celulele nervoase schimbă conexiunea dintre neuroni pentru a forma noi rețele neuronale. Această schimbare este realizată prin neurotransmițători, inclusiv neurotransmițători și neuropeptide. Neurotransmițătorii și neuropeptidele transportă aceste informații prin sinapse către celulele țintă. Prin urmare, transmiterea semnalului intracelular este o parte importantă a procesului nostru de învățare și memorie.

În al doilea rând, calitatea și cantitatea celulelor ne pot afecta și memoria. Dacă nu avem suficiente celule în corpul nostru, ne simțim obosiți și avem o memorie slabă. În plus, cercetările arată că starea nutrițională a celulelor poate afecta, de asemenea, învățarea și memoria. Noile rezultate ale cercetării arată că alimentele care conțin acizi grași omega-3 pot îmbunătăți calitatea și cantitatea celulelor nervoase.

În plus, celulele noastre pot influența memoria și prin mișcarea fizică. Exercițiile fizice pot promova noua generație de celule nervoase, îmbunătățind astfel memoria noastră. Exercițiul eliberează factori neurotrofici, substanțe care stimulează regenerarea celulelor nervoase și formarea conexiunilor sinaptice.

În concluzie, celulele sunt baza memoriei noastre și sunt afectate de viața noastră de zi cu zi. În viața noastră de zi cu zi, putem promova îmbunătățirea memoriei evitând fumatul și abuzul de alcool, menținând un stil de viață sănătos, consumând alimente care conțin acizi grași omega-3 și făcând exerciții fizice adecvate, făcând amintirile noastre mai clare și mai fericite. Se poate observa că trebuie să ne îmbunătățim memoria. Cistanche deserticola poate îmbunătăți semnificativ memoria deoarece Cistanche deserticola este un material medicinal tradițional chinezesc cu multe efecte unice, dintre care unul este îmbunătățirea memoriei. Eficacitatea cărnii tocate vine din diferitele ingrediente active pe care le conține, inclusiv acid, polizaharide, flavonoide etc. Aceste ingrediente pot promova sănătatea creierului în diferite moduri.

Faceți clic pe cunoașteți suplimentele pentru a îmbunătăți memoria

Celulele anterioare înregistrate pe timp de noapte au declanșat potențiale de acțiune mai mari decât cele înregistrate în timpul zilei (p=0.046, efectul principal al RMANOVA în două direcții, în timpul zilei; Fig. 7B). Cu toate acestea, celulele posterioare nu au afișat nicio diferență statistică zi-noapte în numărul de potențiale de acțiune declanșate (p=0.484, efectul principal al RM-ANOVA bidirecțională în timpul zilei; Fig. 7E).

Examinarea potențialului membranei inițiale nu a evidențiat diferențe de sex sau de timp din zi în celulele înregistrate din secțiunile anterioare (p=0.572 și 0.535, principalele efecte ale sexului și ale orei zilei). , respectiv, ANOVA în două căi; Fig. 7C). Cu toate acestea, potențialele de membrană ale celulelor înregistrate din secțiunile posterioare pe timp de noapte au fost mai depolarizate decât cele înregistrate în timpul zilei, indiferent de sex (p= 0.044, efectul principal al ANOVA bidirecțională în timp din zi; Fig. .7F).

Am examinat 15 proprietăți suplimentare ale membranei, inclusiv proprietățile potențialului de acțiune ale potențialului de acțiune unică, determinate de injecția de curent reobază, sag și rezistența de intrare (Tabelul 1). A existat un efect semnificativ al timpului de creștere a potențialului de acțiune sexuală în neuronii anteriori (bărbați:0.295 6 0.01 ms, femei: 0,275 6 0,01 ms; p=0.047, ANOVA în două sensuri). Niciun alți parametri nu au atins semnificație statistică (Extended Data Table 1-1).

Având în vedere că declanșarea potențialului de acțiune și potențialul de membrană sunt ambele măsuri ale excitabilității neuronale, putem concluziona că neuronii piramidali CA1 din circuitul hipocampal sunt mai excitabili noaptea în general, dar mecanismul care stă la baza acestei creșteri nocturne a excitabilității poate varia pe axa anterioară-posterioră a hipocampului.

Diferențele zi-noapte în neuronexcitabilitatea piramidală CA1 nu sunt intrinsece

Deoarece variația observată zi-noapte a excitabilității ar putea fi determinată de factori sinaptici și/sau intrinseci, am evaluat din nou excitabilitatea într-o cohortă separată de animale în prezența antagoniștilor sinaptici (CPP, NBQX, GBZ) pentru a izola neuronul piramidal CA1 din circuit. În aceste condiții, nu am găsit niciun efect semnificativ al timpului din zi în numărul de potențiale de acțiune generate ca răspuns la injecțiile de curent depolarizante în celulele înregistrate atât din secțiunile anterioare cât și din cele posterioare (p=0.933 pentru anterioară și p { {6}}.569 pentru efectul posterior, principal al timpului zilei, RM-ANOVA bidirecțional; Fig. 8A, D).

În plus, potențialele inițiale în aceste condiții nu au fost afectate de timpul zilei sau sexul în celulele înregistrate din oricare dintre cele anterioare (p=0.896 și 0.888, principalul efect al sexului și al timpului). zi, respectiv, ANOVA în două căi; Fig. 8B) sau felii posterioare (p {{10}}.999 și 0,702, efectul principal al sexului și, respectiv, timpul zilei, ANOVA în două căi; Fig. .8E). Au fost investigate proprietăți suplimentare ale membranei în prezența antagoniștilor sinaptici, inclusiv proprietățile potențialelor de acțiune ale potențialelor de acțiune unică provocate de injecția de curent reobază, sag și rezistența de intrare (Tabelul 2).

Atât hiperpolarizarea potențialului cu acțiune rapidă, cât și cea medie (fAHP și mAHP) au fost mai mari în timpul zilei (fAHP: 5,776 0,74mV, mAHP: 9,296 0,65mV), în comparație cu noaptea anterior neuroni (fAHP: 4,08 6 0,51 mV, mAHP: 7,06 6 0,59 mV; p=0.{044 și 0,024 pentru fAHP și mAHP, bidirecțional ANOVA; Tabelul 2). În neuronii anteriori, fAHP a fost mai mare la bărbați (5,827 6 0,56 mV) în comparație cu femei (3,98 6 0,58 mV; p=0,034, ANOVA bidirecțional; Tabel 2). Niciun alți parametri în neuronii anteriori sau posteriori nu a atins semnificație statistică (ExtendedData Table 1-1).

În general, absența neuronalexcitabilității nocturne îmbunătățite (potențialul de membrană și potențialul de acțiune) în prezența antagoniștilor sinaptici sugerează că diferențele diurne în intrarea rapidă excitatoare și/sau inhibitorie sinaptică contribuie cel puțin parțial la creșterea excitabilității nocturne.

Discuţie

Aici, am examinat efectele sexului și ale orei zilei asupra multiplelor fațete ale fiziologiei hipocampului, de la comportament la fiziologia neuronală individuală. Demonstrăm că timpul zilei influențează învățarea și memoria spațială, magnitudinea LTP, inhibarea sinaptică asupra neuronilor piramidali CA1 și excitabilitatea neuronală piramidală CA1. Am descoperit că sexul a avut cea mai mare influență asupra diferențelor de performanță OLM zi-noapte, în timp ce efectul său asupra transmisiei sinaptice, mărimii LTP și excitabilității neuronale a fost subtil sau complet absent. În plus, am descoperit că poziția de-a lungul axei anterioare-posterioară are un impact semnificativ asupra neuronilor piramidali CA1 în mod excitabil. Aceste descoperiri ilustrează complexitatea rețelei hipocampice și importanța luării în considerare a unor factori precum sexul și ora din zi în studiile viitoare.

În timp ce ritmurile circadiene reglează LTP și învățarea și memoria dependente de hipocamp, rolul diferențelor diurne ale sexului în aceste procese a fost necunoscut anterior. În mod surprinzător, am descoperit că ritmurile circadiene reglează performanța memoriei dependente de hipocamp într-o manieră dependentă de sex. Șoarecii masculi s-au descurcat mai bine la sarcina OLM pe timp de noapte, așa cum sa raportat anterior (Takahashi și colab., 2013; Snider și colab., 2016). Femela, totuși, a avut rezultate mai bune în timpul zilei. Nu este clar de ce șoarecele femele ar avea performanțe mai bune în perioada lor inactivă, dar o posibilă explicație ar putea fi ciclul estral, pentru care nu a fost controlat în studiul de față.

Deși este nevoie de mai multe cercetări în ceea ce privește femelele care circulă în mod natural pentru a face concluzii definitive cu privire la impactul specific al ciclului estral asupra memoriei spațiale dependente de hipocamp, studiile la șobolani au descoperit că femelele în proestru și estru le-au depășit pe cele din diestru în ceea ce privește recunoașterea obiectelor și sarcinile de plasare a obiectelor (Frye et al. ., 2007; Paris și Frye, 2008). Într-adevăr, nivelurile de estrogen influențează performanța sarcinilor de memorie dependente de hipocamp, iar administrarea de estradiol exogen îmbunătățește performanța sarcinilor de memorie dependente de hipocamp (Luine și colab., 2003; Li et al., 2004; Phan și colab., 2012; Vedder și colab., 2013, 2014; Tuscher et al., 2015). Înțelegerea modului în care ciclul estral și ciclul circadian converg pentru a modula cogniția la femei va fi un subiect interesant și important pentru cercetările viitoare.

Interesant, am descoperit că aceste efecte sexuale asupra diferențelor diurne în performanța OLM nu s-au extins la reglarea diurnă a LTP, care este considerată o corelație celulară a învățării și memoriei. Este important de menționat că timpii CT și ZT utilizați în cele două experimente nu s-au oglindit perfect unul pe celălalt. Testele OLM au fost efectuate în mijlocul perioadelor subiective de zi și noapte în întuneric constant (CT patru și CT 16), după cum a fost adaptat (Snider și colab., 2016), în timp ce experimentul de electrofiziologie a examinat ziua devreme și noaptea devreme într-un ciclu LD (ZT). 1–6 și ZT 12–18).

Cu toate acestea, această constatare oarecum neașteptată ar putea fi un exemplu al modului în care același proces fiziologic (LTP) poate fi utilizat pentru a obține rezultate diferite în funcție de context (bărbați vs femei). În plus, în timp ce sarcina OLM pe care am ales-o este dependentă de hipocamp (Barker și Warburton, 2011); Învățarea și memoria sunt procese complexe care se pot baza pe mai multe sisteme de memorie și poate că femeile se bazează mai mult pe alte circuite în comparație cu bărbații. Mai mult, ciclul estral poate influența strategiile de învățare și contribuțiile relative ale diferitelor circuite ale memoriei feminine (Korol și colab., 2004).

Prin urmare, efectele dependente de sex observate în sarcina OLM pot fi mediate de un alt mecanism decât LTP la sinapsa CA3-CA1. De asemenea, este posibil ca stimularea de înaltă frecvență utilizată, spre deosebire de o stimulare mai fiziologică (adică, explozia theta), să fi oclus detectarea reglării LTP dependente de sex. O limitare suplimentară a testului OL, care merită remarcată este o posibilă perturbare a ritmurilor comportamentale care rezultă din manipularea repetată (5 min/zi) cu 4 d înainte de antrenament și testare. Indiferent, aceste rezultate exemplifică importanța contabilizării atât pentru cât și pentru timpul zilei atunci când se proiectează studii de cercetare și se interpretează rezultatele.

Lucrările anterioare din laboratorul nostru au arătat că neuronii piramidali sIPSCsonto CA1 prezintă diferențe diurne, care se pierd într-un model de șoarece al bolii Alzheimer (Fusilier și colab., 2021). Aici, am replicat și extins descoperirile anterioare prin examinarea sIPSC-urilor la ambele sexe și efectuând experimente suplimentare în prezența TTX (mIPSCs) pentru a începe să identificăm mecanismele presinaptice și postsinaptice care contribuie la diferențele diurne. Lipsa diferențelor diurne în mIPSCs IEI sugerează că inhibarea dependentă de potențial de acțiune asupra celulelor piramidale CA1 este mai mare în timpul zilei decât noaptea atât la șoarecii masculi, cât și la femele. Având în vedere că acești curenți inhibitori au fost izolați farmacologic cu antagoniști ai receptorilor de glutamat, probabil, este generată spontan o activitate interneuronă crescută în timpul zilei. Într-adevăr, rapoartele anterioare sugerează că unii interneuroni din zona CA1 sunt activi în mod arespontan (Sik și colab., 1995; Maccaferri și colab., 1996; Oliva și colab., 2000; Amilhon și colab., 2015; Huh și colab., 2016; Miri și colab., 2016; ., 2018); cu toate acestea, lipsesc dovezi definitive ale variației diurne în arderea spontană a interneuronului în hipocamp și vor fi un domeniu important al studiului viitor care ar putea oferi o perspectivă asupra disfuncției circadiene asociate cu bolile care implică hiperexcitabilitatea rețelei hipocampului, inclusiv boala Alzheimer și epilepsia.

În plus față de primirea de aport inhibitor de la populațiile locale de interneuroni, aportul excitator major asupra celulelor piramidale CA1 vine de la axonii neuronilor principali din zona din aval CA3 (colaterale Schaffer; celulele piramidale CA3) sau cortexul entorinal (calea temperoamonică). Examinarea sEPSC-urilor a arătat că tendința pentru intrarea excitatoare pe celulele piramidale CA1 să devină mai mare noaptea decât în ​​timpul zilei. În absența eliberării neurotransmițătorilor dependente de potențialul de acțiune, acest fenomen persistă la bărbați, dar nu și la femei, sugerând că excitația crescută în timpul nopții la femele este probabil determinată de potențialul de acțiune. Celulele piramidale CA3 prezintă, de asemenea, diferențe diurne în ceea ce privește excitabilitatea, astfel încât celulele nocturne prezintă un curent de calciu mai mare, o scădere după hiperpolarizare și o adaptare redusă la frecvența de vârf în comparație cu celulele de zi (Kole și colab., 2001). Această excitabilitate crescută a celulelor piramidale CA3 pe timp de noapte s-ar putea traduce printr-o creștere a sEPSC pe celulele piramidale CA1 noaptea, comparativ cu ziua.

În continuare, am vrut să examinăm modul în care variația diurnă a transmisiei sinaptice excitatorii și inhibitorii ar putea afecta excitabilitatea neuronului piramidal CA1. Un studiu anterior pe șobolani a descoperit că excitabilitatea membranei a oscilat în timpul circadian, iar neuronii au fost mai depolarizați în timpul nopții subiective/subiectiv devreme (Naseri Kouzehgarani și colab., 2020). Un studiu recent a constatat o excitabilitate crescută pe timp de noapte la neuronii piramidali CA1 de șoarece (Fusilier și colab., 2021). Aici, am replicat descoperirile anterioare și am extins studiul nostru pentru a lua în considerare potențialele diferențe de sex și influența axei hipocampului anterior-posterior. În general, am constatat că, într-un circuit sinaptic intact (adică, fără antagonişti sinaptici), neuronii piramidali CA1 erau mai excitabili noaptea, comparativ cu ziua, indiferent de sex. Interesant, creșterea excitabilității pe timp de noapte nu a fost uniformă pe axa anterioară-posterioră a hipocampului. În timp ce neuronii înregistrați din secțiunile anterioare au declanșat mai mult potențial de acțiune în răspunsul la injecțiile curente depolarizante și nu au afișat nicio diferență diurnă în potențialul membranei de bază, neuronii posteriori au fost mai depolarizați noaptea, dar nu au afișat o creștere semnificativă statistic pe timp de noapte a mai multor potențiale de acțiune declanșate.

Aceste descoperiri sugerează că mecanismele de bază pentru îmbunătățirea excitabilității neuronale pe timp de noapte pot fi diferite în funcție de locația anterio-posterioaraxisului. În timp ce pregătirea noastră coronară a însemnat că nu am putut izola cu adevărat hipocampul ventral de hipocampul dorsal, am observat că neuronii din feliile posterioare prezentau caracteristici în concordanță cu datele publicate anterior colectate de la neuronii piramidali ventralCA1, în timp ce neuronii din porțiunile anterioare au fost în concordanță cu datele de examinare a neuronilor CA1 (ramidal). Malik și colab., 2016; Milior și colab., 2016). În mod specific, neuronii posteriori (de tip ventral) au fost mai excitabili în comparație cu neuronii anteriori, atingând rata maximă de aprindere mai devreme decât neuronii anteriori, au avut o rezistență de intrare mai mare și valori mai mici ale reobazei în comparație cu cei anteriori ( neuroni asemănători dorsalii). Având în vedere diferențele cunoscute între morfologia dendritică și expresia canalului ionic neuronii hipocampali dorsali versus ventrali (Bannermanet al., 2004; Fanselow și Dong, 2010; Marcelin și colab., 2012; Dougherty și colab., 2012, 2013; Hönigsperger și colab., 2015; Kim și Johnston, 2015; Malik și colab., 2016; Milioret colab., 2016; Soltesz și Losonczy, 2018), nu este surprinzător faptul că mecanismele care stau la baza inexcitabilității diferențelor diurne pot fi diferite la nivelul acestor populații. Absența diferențelor zi-noapte în Excitabilitatea neuronală în prezența antagoniștilor sinaptici sugerează că intrările sinaptice contribuie cel puțin parțial la creșterea excitabilității pe timp de noapte. Cu toate acestea, experimentele viitoare sunt necesare pentru a determina rolul specific al factorilor sinaptici și intrinseci în reglarea diferențelor diurne de fiziologie în neuronii piramidali CA1.

În plus, diferența dintre celulele anterioare și posterioare a fost redusă în prezența antagoniștilor sinaptici, sugerând că factorii sinaptici ar putea fi cel puțin parțial responsabili pentru unele dintre diferențele regionale pe care le-am observat. Va fi interesant să restrângem modul în care expresia și funcția diverșilor receptori de neurotransmițători și canale ionice sunt modulate atât în ​​timpul zilei, cât și în locația de-a lungul axei longitudinale. Un beneficiu al tehnicii de plasture oarbă utilizată în studiul de față este capacitatea de a colecta date de la neuronii aflați adânc sub suprafața țesutului, unde sănătatea și viabilitatea celulelor sunt cele mai mari, dar țintirea vizuală a neuronilor ar fi dificilă. Cu toate acestea, această abordare interzice vizarea unor subpopulații neuronale specifice. ; astfel, neuronii piramidali din toate zonele stratului de celule piramidale CA1 au fost incluși în studiu. Studiile viitoare care examinează efectele timpului zilei și ale sexului în diferite subpopulații de celule piramidale CA1 (de exemplu, neuronii profundi vs. superficiali) vor fi informative pentru înțelegerea fiziologiei specifice tipului de celule.

Hipocampul este unul dintre cele mai studiate și bine caracterizate circuite din creierul mamiferelor. Cu toate acestea, cea mai mare parte a cunoștințelor despre modul în care funcționează acest circuit se bazează pe studii efectuate în timpul zilei la rozătoare, în mare parte masculi, nocturne. Eșecul de a lua în considerare factori precum ora din zi și sexul duce la o imagine incompletă a fiziologiei hipocampului și a modului în care funcționează dinamic în mai multe contexte. Sexul și ora din zi sunt considerații deosebit de importante pentru translația relevanței studierii hipocampului în modele de boli precum Alzheimer sau epilepsie, care sunt influențate de ritmurile circadiene și pot afecta bărbații și femeile în mod diferit.

Este important de menționat că, cu excepția experimentelor care testează OLM, toate experimentele din acest studiu au fost efectuate într-un ciclu lumină-întuneric. Prin urmare, sunt necesare studii viitoare în condiții constante pentru a determina rolul sistemului circadian asupra diferențelor diurne observate. Deși aici au fost examinate doar două puncte de timp, va fi interesant și util să se determine modul în care fiziologia hipocampului este dinamică în mai multe momente din ciclul circadian în studiile viitoare. În concluzie, acest studiu dezvăluie variația diurnă a funcției hipocampalsinaptice și neuronale și subliniază importanța luării în considerare a sexului, ritmurilor circadiene și eterogenității neuronale într-o regiune a creierului în studiul circuitelor neuronale.

Referințe

Amilhon B, Huh CYL, Manseau F, Ducharme G, Nichol H, Adamantidis A, Williams S (2015) Parvalbumin interneurons of hippocampus tune population activity at theta frequency. Neuron86:1277–1289.

Bannerman DM, Rawlins JNP, McHugh SB, Deacon RMJ, Yee BK, Bast T, Zhang WN, Pothuizen HHJ, Feldon J (2004) Dissocieri regionale în hipocampus – memorie și anxietate. NeurosciBiobehav Rev 28:273–283.

Barker GRI, Warburton EC (2011) Când este implicat hipocampul în memoria de recunoaștere? J Neurosci 31:10721–10731.

Pe lângă RC, Rogers CO, Paul JR, Hablitz LM, Johnson RL, McMahonLL, Gamble KL (2017), activitatea GSK3 reglează ritmurile în expresia genei ceasului hipocampal și plasticitatea sinaptică. Hipocampus27:890–898.

Buijs RM, Soto Tinoco EC, Hurtado Alvarado G, Escobar C (2021) Sistemul circadian: de la ceasuri la fiziologie. Handb ClinNeurol 179:233–247.

Cao G, Nitabach MN (2008) Controlul circadian al excitabilității membranei în neuronii ceasului ventral lateral al Drosophila melanogaster. JNeurosci 28:6493–6501.

Chao OY, Huston JP, Nikolaus S, de Souza Silva MA (2016) Evaluarea concomitentă a memoriei pentru obiect și loc: dovezi pentru importanța preferențială diferită a cortexului peririnal și a hipocampului și efectul prognostic al unui neurokinin-3 R agonist. Neurobiol Learn Mem 130:149–158.

Chaudhury D, Wang LM, Colwell CS (2005) Reglarea circadiană a potențarii hipocampale pe termen lung. J Biol Rhythms 20:225–236.

Colwell CS (2021) Definirea perturbării circadiane în tulburările neurodegenerative. J Clin Invest 131:e148288.

Cook RL, Kelso NE, Brumback BA, Chen X (2016) Strategii analitice pentru a evalua asocierea expunerilor care variază în timp la rezultatele legate de HIV: consumul de alcool ca exemplu. Curr HIVRes 14:85–92.

Davis JA, Paul JR, McMeekin LJ, Nason SR, Antipenko JP, YatesSD, Cowell RM, Habegger KM, Gamble KL (2020) Dietele bogate în grăsimi și zaharoză afectează diferențele de timp din zi în memoria de lucru spațială a șoarecilor masculi. Obezitate (Silver Spring) 28:2347–2356.

For more information:1950477648nn@gmail.com