Examen de la variació diürna i les diferències de sexe en la neurofisiologia de l'hipocamp i la memòria espacial Part 3

Per examinar les diferències de sexe i hora del dia, vam estratificar el nostre conjunt de dades en funció de la regió de l'eix anterior-posterior seguida d'ANOVA factorial de tres vies. Vam trobar que el sexe no tenia cap efecte significatiu en diversos potencials d'acció generats en resposta a les injeccions de corrent despolaritzant a les cèl·lules registrades a partir de les rodanxes anteriors (p=0.321, principal efecte del sexe, RM-ANOVA de tres vies) o posteriors (p).=0.568, efecte principal del sexe, RM-ANOVA de tres vies); per tant, les dades dels dos sexes es van agrupar per a l'anàlisi final.

La memòria és una part molt important del nostre viatge vital. No només confiem en la memòria per aprendre nous coneixements, sinó que també la necessitem per ajudar-nos a resoldre problemes i prendre decisions.

Tanmateix, la nostra comprensió dels mecanismes és insuficient. Les cèl·lules són els components bàsics del nostre cos, doncs, com es relacionen amb la memòria? Les cèl·lules tenen un paper integral en la memòria.

En primer lloc, la senyalització intracel·lular és la base de la nostra memòria. Durant la memòria i l'aprenentatge, les cèl·lules nervioses canvien la connexió entre les neurones per formar noves xarxes neuronals. Aquest canvi s'aconsegueix mitjançant neurotransmissors, inclosos neurotransmissors i neuropèptids. Els neurotransmissors i els neuropèptids transporten aquesta informació a través de les sinapsis a les cèl·lules diana. Per tant, la transmissió del senyal intracel·lular és una part important del nostre procés d'aprenentatge i memòria.

En segon lloc, la qualitat i la quantitat de cèl·lules també poden afectar la nostra memòria. Si no tenim prou cèl·lules al nostre cos, ens sentim cansats i tenim una memòria dèbil. A més, les investigacions mostren que l'estat nutricional de les cèl·lules també pot afectar l'aprenentatge i la memòria. Els nous resultats de la investigació mostren que els aliments que contenen àcids grassos omega-3 poden millorar la qualitat i la quantitat de les cèl·lules nervioses.

A més, les nostres cèl·lules també poden influir en la memòria mitjançant el moviment físic. L'exercici pot afavorir la nova generació de cèl·lules nervioses, millorant així la nostra memòria. L'exercici allibera factors neurotròfics, substàncies que estimulen la regeneració de les cèl·lules nervioses i la formació de connexions sinàptiques.

En resum, les cèl·lules són la base de la nostra memòria i es veuen afectades per la nostra vida quotidiana. A la nostra vida diària, podem promoure la millora de la memòria evitant el tabaquisme i l'abús d'alcohol, mantenint un estil de vida saludable, consumint aliments que contenen àcids grassos omega-3 i fent exercici adequat, fent que els nostres records siguin més clars i feliços. Es pot veure que hem de millorar la nostra memòria. Cistanche deserticola pot millorar significativament la memòria perquè Cistanche deserticola és un material medicinal tradicional xinès amb molts efectes únics, un dels quals és millorar la memòria. L'eficàcia de la carn picada prové dels diferents ingredients actius que conté, com àcids, polisacàrids, flavonoides, etc. Aquests ingredients poden afavorir la salut del cervell de diverses maneres.

Feu clic a Coneix suplements per millorar la memòria

Les cèl·lules anteriors registrades a la nit van disparar més potencials d'acció que les registrades durant el dia (p=0,046, l'efecte principal de l'hora del dia, RMANOVA bidireccional; Fig. 7B). Tanmateix, les cèl·lules posteriors no mostraven cap diferència estadística entre el dia i la nit en el nombre de potencials d'acció disparats (p=0.484, l'efecte principal de l'hora del dia, RM-ANOVA bidireccional; Fig. 7E).

L'examen del potencial de membrana basal no va revelar diferències en el sexe ni en l'hora del dia a les cèl·lules registrades a partir de rodanxes anteriors (p=0.572 i 0.535, efectes principals del sexe i de l'hora del dia). , respectivament, ANOVA bidireccional; Fig. 7C). No obstant això, els potencials de membrana de les cèl·lules enregistrades a partir de rodanxes posteriors a la nit estaven més despolaritzats que els registrats durant el dia, independentment del sexe (p= 0,044, l'efecte principal de l'ANOVA bidireccional de l'hora del dia; Fig. .7F).

Es van examinar 15 propietats addicionals de la membrana, incloses les propietats del potencial d'acció del potencial d'acció senzilla sol·licitades per la injecció de corrent de reobase, la caiguda i la resistència d'entrada (taula 1). Hi va haver un efecte significatiu del temps d'augment del potencial d'acció sexual a les neurones anteriors (masculí:0.295 6 0.01 ms, femení: 0.275 6 0.01 ms; p=0.047, ANOVA bidireccional). No hi ha cap altre paràmetre que va assolir significació estadística (taula de dades ampliada 1-1).

Atès que el potencial d'acció i el potencial de membrana són mesures d'excitabilitat neuronal, podem concloure que les neurones piramidals CA1 del circuit de l'hipocamp són més excitables a la nit en general, però el mecanisme subjacent a aquest augment nocturn de l'excitabilitat pot variar en l'eix anterior-posterior de l'hipocamp.

Les diferències dia-nit en la neuronexcitabilitat piramidal CA1 no són intrínseques

Com que la variació observada de l'excitabilitat dia-nit podria ser impulsada per factors sinàptics i/o intrínsecs, vam tornar a avaluar l'excitabilitat en una cohort separada d'animals en presència d'antagonistes sinàptics (CPP, NBQX, GBZ) per aïllar la neurona piramidal CA1 del circuit. En aquestes condicions, no hem trobat cap efecte significatiu de l'hora del dia en el nombre de potencials d'acció generats en resposta a les injeccions de corrent despolaritzant en cèl·lules registrades tant a les rodanxes anteriors com posteriors (p=0.933 per a anterior i p {). {6}}.569 per a la part posterior, efecte principal de l'hora del dia, bidireccional RM-ANOVA; Fig. 8A, D).

A més, els potencials de referència en aquestes condicions no es van veure afectats per l'hora del dia o el sexe a les cèl·lules registrades de cap de les dues anteriors (p=0.896 i 0.888, efecte principal del sexe i del temps de dia, respectivament, ANOVA bidireccional; Fig. 8B) o rodanxes posteriors (p {{10}}.999 i 0,702, efecte principal del sexe i l'hora del dia, respectivament, ANOVA bidireccional; Fig. . 8E). Es van investigar propietats addicionals de la membrana en presència d'antagonistes sinàptics, incloses les propietats del potencial d'acció dels potencials d'acció única provocats per la injecció de corrent de reobase, la caiguda i la resistència d'entrada (taula 2).

Tant la hiperpolarització potencial d'acció ràpida com la d'acció mitjana (fAHP i mAHP) van ser més grans durant el dia (fAHP: 5,776 0,74mV, mAHP: 9,296 0,65mV), en comparació amb la nit a l'anterior neurones (fAHP: 4,08 6 0,51 mV, mAHP: 7,06 6 0,59 mV; p=0.{044 i 0,024 per a fAHP i mAHP, bidireccional ANOVA; taula 2). A les neurones anteriors, fAHP va ser més gran en els homes (5,827 6 0,56 mV) en comparació amb les dones (3,98 6 0,58 mV; p=0,034, ANOVA bidireccional; taula 2). Cap altre paràmetre de les neurones anteriors o posteriors no va assolir significació estadística (ExtendedData Table 1-1).

En general, l'absència de neuronalexcitabilitat nocturna millorada (potencial de membrana i potencial d'acció) en presència d'antagonistes sinàptics suggereix que les diferències diürnes en l'entrada ràpida d'excitació i/o inhibició sinàptica contribueixen almenys parcialment a la millora nocturna de l'excitabilitat.

Discussió

Aquí, vam examinar els efectes del sexe i l'hora del dia en múltiples facetes de la fisiologia de l'hipocamp, des del comportament fins a la fisiologia neuronal individual. Demostrem que l'hora del dia afecta l'aprenentatge i la memòria espacials, la magnitud del LTP, la inhibició sinàptica a les neurones piramidals CA1 i l'excitabilitat neuronal piramidal CA1. Vam trobar que el sexe era més influent en les diferències dia-nit en el rendiment de l'OLM, mentre que el seu efecte sobre la transmissió sinàptica, la magnitud de la LTP i l'excitabilitat neuronal era subtil o absent completament. A més, vam trobar que la posició al llarg de l'eix anterior-posterior afecta significativament les neurones piramidals CA1 de manera excitant. Aquestes troballes il·lustren la complexitat de la xarxa de l'hipocamp i la importància de tenir en compte factors com el sexe i l'hora del dia en estudis futurs.

Si bé els ritmes circadians regulen la LTP i l'aprenentatge i la memòria depenent de l'hipocamp, el paper de les diferències sexuals diürnes en aquests processos era desconegut anteriorment. Sorprenentment, vam trobar que els ritmes circadians regulen el rendiment de la memòria depenent de l'hipocamp d'una manera dependent del sexe. Els ratolins mascles van tenir un millor rendiment a la tasca OLM a la nit, tal com es va informar anteriorment (Takahashi et al., 2013; Snider et al., 2016). Les femelles, però, van tenir un millor rendiment durant el dia. No està clar per què les ratolins femelles tindrien un millor rendiment durant el seu període inactiu, però una possible explicació podria ser el cicle estral, que no es va controlar en el present estudi.

Tot i que calen més investigacions en femelles que ciclen naturalment per treure conclusions definitives sobre l'impacte específic del cicle estral en la memòria espacial depenent de l'hipocamp, els estudis en rates van trobar que les femelles en proestre i estro van superar les del diestre en les tasques de reconeixement i col·locació d'objectes (Frye et al. ., 2007; París i Frye, 2008). De fet, els nivells d'estrògens afecten el rendiment en tasques de memòria dependents de l'hipocamp i l'administració d'estradiol exògen millora el rendiment en tasques de memòria dependents de l'hipocamp (Luine et al., 2003; Li et al., 2004; Phan et al., 2012; Vedder et al., 2013, 2014; Tuscher et al., 2015). Comprendre com el cicle estral i el cicle circadià convergeixen per modular la cognició en les dones serà un tema interessant i important per a futures investigacions.

Curiosament, vam trobar que aquests efectes sexuals sobre les diferències diürnes en el rendiment de l'OLM no s'estenia a la regulació diürna de LTP, que es considera un correlat cel·lular de l'aprenentatge i la memòria. És important tenir en compte que els temps CT i ZT utilitzats en els dos experiments no es reflectien perfectament. Els assajos OLM es van dur a terme al mig dels períodes subjectius de dia i nit en foscor constant (CT quatre i CT 16), segons l'adaptació de (Snider et al., 2016), mentre que els experiments d'electrofisiologia van examinar el primer dia i la nit en un cicle LD (ZT). 1–6 i ZT 12–18).

No obstant això, aquesta troballa una mica inesperada podria ser un exemple de com es pot utilitzar el mateix procés fisiològic (LTP) per aconseguir diferents resultats segons el context (mascles vs dones). A més, tot i que la tasca OLM que vam triar depèn de l'hipocamp (Barker i Warburton, 2011); L'aprenentatge i la memòria són processos complexos que poden dependre de múltiples sistemes de memòria, i potser les dones depenen més d'altres circuits en comparació amb els homes. A més, el cicle estral pot influir en les estratègies d'aprenentatge i les contribucions relatives de diferents circuits de memòria femení (Korol et al., 2004).

Per tant, els efectes dependents del sexe observats a la tasca OLM poden estar mediats per un mecanisme diferent de LTP a la sinapsi CA3-CA1. També és possible que l'estimulació d'alta freqüència utilitzada, a diferència d'una estimulació més fisiològica (és a dir, l'explosió theta), hagi ocluït la detecció de la regulació de LTP dependent del sexe. Una limitació addicional de l'assaig OL que val la pena assenyalar és una possible interrupció dels ritmes de comportament com a resultat de la manipulació repetida (5 min/d) 4 d abans de l'entrenament i la prova. Independentment, aquests resultats mostren la importància de tenir en compte tant l'hora com l'hora del dia a l'hora de dissenyar estudis de recerca i interpretar els resultats.

Un treball anterior del nostre laboratori va revelar que les neurones piramidals sIPSCsonto CA1 presenten diferències diürnes, que es perden en un model de ratolí de la malaltia d'Alzheimer (Fusilier et al., 2021). Aquí, vam replicar i ampliar les troballes anteriors examinant els sIPSC en ambdós sexes i realitzant experiments addicionals en presència de TTX (mIPSCs) per començar a identificar els mecanismes presinàptics i postsinàptics que contribueixen a les diferències diürnes. La manca de diferències diürnes en els mIPSCs IEI suggereix que la inhibició depenent del potencial d'acció sobre la cèl·lula piramidal CA1 és més gran durant el dia que a la nit tant en ratolins mascles com femelles. Atès que aquests corrents inhibidors estaven aïllats farmacològicament amb antagonistes del receptor de glutamat, és probable que es generi espontàniament un augment de l'interneuroactivitat diürna. De fet, informes previs suggereixen que algunes interneurones a l'àrea CA1 són respontàniament actives (Sik et al., 1995; Maccaferri i McBain, 1996; Oliva et al., 2000; Amilhon et al., 2015; Huh et al., 2016; Miri et al., 2016; ., 2018); tanmateix, no hi ha proves definitives de la variació diürna en el tret espontani d'interneurones a l'hipocamp i serà una àrea important d'estudi futur que podria proporcionar informació sobre la disfunció circadiana associada a malalties que impliquen hiperexcitabilitat de la xarxa de l'hipocamp, inclosa la malaltia d'Alzheimer i l'epilèpsia.

A més de rebre l'entrada inhibidora de les poblacions d'interneurones locals, l'entrada excitatòria important a les cèl·lules piramidals CA1 arriba dels axons de les neurones principals de l'àrea aigües avall CA3 (colaterals de Schaffer; cèl·lules piramidals CA3) o de l'escorça entorrinal (via temperoamònica). L'examen dels sEPSC va revelar que l'entrada excitatòria a les cèl·lules piramidals CA1 augmentava més a la nit que durant el dia. En absència d'alliberament de neurotransmissors depenent del potencial d'acció, aquest fenomen persisteix en els homes, però no en les dones, cosa que suggereix que l'augment de l'excitació nocturna en les dones és probable que es degui al potencial d'acció. Les cèl·lules piramidals CA3 també presenten diferències diürnes en l'excitabilitat, de manera que les cèl·lules nocturnes presenten un corrent de calci més gran, una disminució posterior a la hiperpolarització i una adaptació reduïda de la freqüència d'espiga en comparació amb les cèl·lules diürnes (Kole et al., 2001). Aquest augment de l'excitabilitat nocturna de les cèl·lules piramidals CA3 podria traduir un augment de sEPSC a les cèl·lules piramidals CA1 a la nit en comparació amb el dia.

A continuació, vam voler examinar com la variació diürna de la transmissió sinàptica excitadora i inhibitòria podria afectar l'excitabilitat de la neurona piramidal CA1. Un estudi anterior en rates va trobar que l'excitabilitat de la membrana oscil·lava al llarg del temps circadià i les neurones estaven més despolaritzades durant la nit subjectivada/subjectiva del primer dia (Naseri Kouzehgarani et al., 2020). Un estudi recent va trobar un augment de l'excitabilitat nocturna a les neurones piramidals CA1 del ratolí (Fusilier et al., 2021). Aquí, vam replicar les troballes anteriors i vam ampliar el nostre estudi per tenir en compte les possibles diferències de sexe i la influència de l'eix de l'hipocamp anterior-posterior. En general, vam trobar que, en un circuit sinàptic intacte (és a dir, sense antagonistes sinàptics), les neurones piramidals CA1 eren més excitables a la nit en comparació amb el dia, independentment del sexe. Curiosament, la millora nocturna de l'excitabilitat no era uniforme a l'eix anterior-posterior de l'hipocamp. Mentre que les neurones registrades a partir de rodanxes anteriors van disparar més potencials d'acció en resposta a les injeccions actuals despolaritzants i no van mostrar cap diferència diürna en el potencial de membrana basal, les neurones posteriors estaven més despolaritzades a la nit, però no van mostrar un augment nocturn estadísticament significatiu en diversos potencials d'acció disparats.

Aquestes troballes suggereixen que els mecanismes subjacents per a la millora nocturna de l'excitabilitat neuronal poden ser diferents segons la ubicació a l'anterior-posteriorxi. Tot i que la nostra preparació de rodanxes coronals va significar que no poguéssim aïllar realment l'hipocamp ventral de l'hipocamp dorsal, vam observar que les neurones de les rodanxes posteriors mostraven característiques coherents amb les dades publicades anteriorment recollides de les neurones piramidals ventralCA1, mentre que les neurones de les rodanxes anteriors eren coherents amb les dades que examinaven les neurones CA1 (ramidals). Malik et al., 2016; Milior et al., 2016). Concretament, les neurones posteriors (ventrals) eren més excitables en comparació amb les anteriors, arribant a la velocitat màxima abans que les neurones anteriors, tenien una major resistència d'entrada i menors valors de reobase en comparació amb les anteriors ( neurones semblants a dorsals). Tenint en compte les diferències conegudes entre la morfologia dendrítica i l'expressió del canal iònic en les neurones de l'hipocamp indorsal versus ventral (Bannermanet al., 2004; Fanselow i Dong, 2010; Marcelin et al., 2012; Dougherty et al., 2012, 2013; Hönigsperger et al., 2015; Kim i Johnston, 2015; Malik et al., 2016; Milioret al., 2016; Soltesz i Losonczy, 2018), no és sorprenent que els mecanismes subjacents a la inexcitabilitat de les diferències diürnes puguin ser diferents entre aquestes poblacions. L'absència de diferències dia-nit en L'excitabilitat neuronal en presència d'antagonistes sinàptics suggereix que les entrades sinàptiques, almenys parcialment, contribueixen a la millora nocturna de l'excitabilitat. Tanmateix, es necessiten experiments futurs per determinar el paper específic tant dels factors sinàptics com intrínsecs en la regulació de les diferències diürnes de fisiologia a les neurones piramidals CA1.

A més, la diferència entre les cèl·lules anteriors i posteriors es va reduir en presència d'antagonistes sinàptics, cosa que suggereix que els factors sinàptics podrien ser almenys parcialment responsables d'algunes de les diferències regionals que vam observar. Serà interessant reduir com es modulen l'expressió i la funció de diversos receptors de neurotransmissors i canals iònics tant a l'hora del dia com a la ubicació al llarg de l'eix longitudinal. Un avantatge de la tècnica de pegat cec que s'utilitza en el present estudi és la capacitat de recollir dades de neurones situades profundament sota la superfície del teixit, on la salut i la viabilitat cel·lulars són més grans, però l'orientació visual de les neurones seria difícil. No obstant això, aquest enfocament prohibeix orientar subpoblacions neuronals específiques. ; així, es van incloure a l'estudi les neurones piramidals de totes les àrees de la capa de cèl·lules piramidals CA1. Els estudis futurs que examinin els efectes de l'hora del dia i el sexe a diferents subpoblacions de cèl·lules piramidals CA1 (per exemple, neurones profundes i superficials) seran informatius per entendre la fisiologia específica del tipus cel·lular.

L'hipocamp és un dels circuits més estudiats i ben caracteritzats del cervell dels mamífers. Tanmateix, la major part del coneixement sobre com funciona aquest circuit es basa en estudis realitzats durant el dia en rosegadors nocturns, majoritàriament mascles. No tenir en compte factors com l'hora del dia i el sexe, condueix a una imatge incompleta de la fisiologia de l'hipocamp i de com funciona dinàmicament en múltiples contextos. El sexe i l'hora del dia són consideracions especialment importants per a la rellevància translacional de l'estudi de l'hipocamp en models de malalties com l'Alzheimer o l'epilèpsia, que estan influenciades pels ritmes circadians i poden afectar homes i dones de manera diferent.

És important tenir en compte que, excepte els experiments que van provar OLM, tots els experiments d'aquest estudi es van realitzar en un cicle llum-foscor. Per tant, es necessiten estudis futurs en condicions constants per determinar el paper del sistema circadià en les diferències diürnes observades. Tot i que aquí només s'han examinat dos punts de temps, serà interessant i útil determinar com és dinàmica la fisiologia de l'hipocamp en diversos moments del cicle circadià en estudis futurs. En conclusió, aquest estudi revela una variació diürna en la funció hipocampalsinàptica i neuronal i subratlla la importància de considerar el sexe, els ritmes circadians i l'heterogeneïtat neuronal dins d'una regió cerebral en l'estudi dels circuits neuronals.

Referències

Amilhon B, Huh CYL, Manseau F, Ducharme G, Nichol H, Adamantidis A, Williams S (2015) Les interneurones de parvalbúmina de l'hipocamp ajustan l'activitat de la població a la freqüència theta. Neurona86:1277–1289.

Bannerman DM, Rawlins JNP, McHugh SB, Deacon RMJ, Yee BK, Bast T, Zhang WN, Pothuizen HHJ, Feldon J (2004) Disssociacions regionals dins de l'hipocamp: memòria i ansietat. NeurosciBiobehav Rev 28:273–283.

Barker GRI, Warburton EC (2011) Quan està implicat l'hipocamp en la memòria de reconeixement? J Neurosci 31:10721–10731.

A més de RC, Rogers CO, Paul JR, Hablitz LM, Johnson RL, McMahonLL, Gamble KL (2017) l'activitat GSK3 regula els ritmes en l'expressió gènica del rellotge hipocampal i la plasticitat sinàptica. Hipocamp 27:890–898.

Buijs RM, Soto Tinoco EC, Hurtado Alvarado G, Escobar C (2021) El sistema circadià: dels rellotges a la fisiologia. Handb ClinNeurol 179:233–247.

Cao G, Nitabach MN (2008) Control circadià de l'excitabilitat de la membrana a les neurones del rellotge ventral lateral de Drosophila melanogaster. JNeurosci 28:6493–6501.

Chao OY, Huston JP, Nikolaus S, de Souza Silva MA (2016) Avaluació concurrent de la memòria per a l'objecte i el lloc: evidència de la importància preferent diferent de l'escorça peririnal i l'hipocamp i efecte pronòstic d'un agonista de neuroquinina -3 R. Neurobiol Learn Mem 130:149–158.

Chaudhury D, Wang LM, Colwell CS (2005) Regulació circadiana de la potenciació a llarg termini de l'hipocamp. J Biol Ritmes 20:225–236.

Colwell CS (2021) Definició de la interrupció circadiana en els trastorns neurodegeneratius. J Clin Invest 131:e148288.

Cook RL, Kelso NE, Brumback BA, Chen X (2016) Estratègies analítiques per avaluar l'associació d'exposicions variables en el temps amb resultats relacionats amb el VIH: el consum d'alcohol com a exemple. Curr HIVRes 14:85–92.

Davis JA, Paul JR, McMeekin LJ, Nason SR, Antipenko JP, YatesSD, Cowell RM, Habegger KM, Gamble KL (2020) Les dietes altes en greixos i en sacarosa perjudiquen les diferències de l'hora del dia en la memòria de treball espacial dels ratolins mascles. Obesitat (Silver Spring) 28:2347–2356.

For more information:1950477648nn@gmail.com