Ketahanan Temporal Dari Manfaat yang Dipicu Latihan Pada Memori yang Bergantung pada Hipokampus dan Plastisitas Sinaptik pada Tikus Betina Bagian 1

Abstrak

Olahraga memfasilitasi neurogenesis dan neuroplastisitas hipokampus yang pada gilirannya meningkatkan fungsi kognitif. Penelitian kami sebelumnya telah menunjukkan bahwa pada tikus jantan, olahraga sukarela memungkinkan pembelajaran yang bergantung pada kampus dalam kondisi yang biasanya berada di bawah ambang batas pembentukan memori jangka panjang pada hewan yang tidak banyak bergerak. Peningkatan kognitif tersebut dapat dipertahankan lama setelah olahraga dihentikan dan dapat dilakukan kembali pada sesi olahraga di bawah ambang batas berikutnya, yang menunjukkan bahwa manfaat yang disebabkan oleh olahraga bersifat dinamis untuk sementara.

Neuroplastisitas mengacu pada kemampuan neuron untuk terus beradaptasi terhadap rangsangan eksternal dan aktivitas internal. Kemampuan ini memainkan peran penting dalam pembentukan dan penyimpanan memori. Konon, neuroplastisitas berkaitan erat dengan memori.

Neuroplastisitas terjadi melalui koneksi sinaptik antar neuron. Ketika kita menerima suatu hal baru, maka hubungan antar neuron di otak akan berubah sehingga membentuk hubungan sinaptik baru. Proses ini memerlukan latihan dan pengulangan yang berulang-ulang untuk menghasilkan koneksi sinaptik jangka panjang dan stabil. Hanya koneksi sinaptik jangka panjang inilah yang dapat memengaruhi memori dan menyimpannya.

Neuroplastisitas juga berubah seiring bertambahnya usia dan pengalaman. Neuroplastisitas sangat kuat ketika kita masih muda, dan otak dapat membentuk koneksi sinaptik baru dengan sangat cepat ketika kita mempelajari hal-hal baru. Namun seiring bertambahnya usia, neuroplastisitas menurun, yang berarti semakin sulit mempelajari informasi baru. Namun, jika kita mempertahankan sikap positif dan kemauan serta kebiasaan untuk mempelajari hal-hal baru secara proaktif, kita masih dapat mempertahankan tingkat neuroplastisitas tertentu. Artinya kita bisa terus belajar dan berkembang, meningkatkan daya ingat dan kecerdasan kita.

Singkatnya, neuroplastisitas dan memori berkaitan erat. Mempertahankan sikap positif dan kebiasaan aktif mempelajari pengetahuan baru dapat membantu kita menjaga neuroplastisitas yang baik, sehingga mencapai daya ingat dan kecerdasan yang lebih baik. Marilah kita tiada hentinya belajar, menjaga sikap positif, dan senantiasa meningkatkan kemampuan dan kualitas diri. Terlihat bahwa kita perlu meningkatkan daya ingat kita. Cistanche deserticola dapat meningkatkan daya ingat secara signifikan karena Cistanche deserticola merupakan bahan obat tradisional Tiongkok yang memiliki banyak khasiat unik, salah satunya meningkatkan daya ingat. Khasiat daging cincang berasal dari berbagai bahan aktif yang dikandungnya, antara lain asam, polisakarida, flavonoid, dll. Bahan-bahan tersebut dapat meningkatkan kesehatan otak dengan berbagai cara.

Klik tahu 10 cara meningkatkan daya ingat

Pada wanita, sejauh mana manfaat olahraga dapat dipertahankan dan mekanisme yang mendasari pemeliharaan ini masih belum dapat ditentukan. Di sini, kami memeriksa parameter latihan yang diperlukan untuk memulai dan mempertahankan manfaat olahraga pada tikus betina C57BL/6J. Dengan menggunakan versi subthreshold dari tugas yang bergantung pada hippocampus yang disebut tugas object-location memory (OLM), kami menunjukkan bahwa latihan sukarela 14d memungkinkan pembelajaran dalam kondisi perolehan subthreshold pada tikus betina. Setelah latihan awal, penundaan menetap selama 7 hari mengakibatkan penurunan performa, yang dapat difasilitasi kembali ketika hewan menerima latihan pengaktifan kembali selama 2 hari setelah penundaan menetap.

Penilaian siklus estrus menunjukkan peningkatan aktivitas lari roda selama fase estrus relatif terhadap fase diestrus, sedangkan fase estrus pada pelatihan atau tes tidak mempengaruhi kinerja OLM. Dengan menggunakan parameter latihan yang sama, kami menunjukkan bahwa latihan 14 hari meningkatkan potensiasi jangka panjang ( LTP) di wilayah CA1 hipokampus, efek yang bertahan selama penundaan menetap dan setelah sesi latihan pengaktifan kembali. Penelitian sebelumnya telah mengusulkan peningkatan regulasi BDNF yang dipicu oleh olahraga sebagai mekanisme yang mendasari manfaat yang dimediasi oleh olahraga pada plastisitas dan kognisi sinaptik.

Namun, penilaian kami terhadap ekspresi mRNA Bdnf hippocampal setelah pengambilan memori menunjukkan tidak ada perbedaan antara kondisi olahraga dan kontrol, menunjukkan bahwa peningkatan regulasi Bdnf yang terus-menerus mungkin tidak diperlukan untuk mempertahankan manfaat yang disebabkan oleh olahraga. Bersama-sama, data kami menunjukkan bahwa olahraga sukarela selama 14 hari dapat memberikan manfaat jangka panjang pada neuroplastisitas dan fungsi kognitif pada tikus betina, sehingga menjadi bukti pertama mengenai ketahanan temporal dari manfaat yang disebabkan oleh olahraga pada tikus betina.

Kata kunci

Latihan; Sedang belajar; Haikampus; Plastisitas sinaptik; BDNF; Siklus estrus.

1. Perkenalan

Efek latihan fisik dalam mendukung dan menjaga kesehatan otak telah terdokumentasi dengan baik. Di otak, hipokampus sangat penting untuk pembelajaran dan pembentukan memori karena gangguan pada struktur otak ini menyebabkan gangguan memori (Packard & McGaugh, 1996; Riedel et al., 1999; Scoville & Milner, 1957). Oleh karena itu, perubahan morfologis dan fungsional yang menyimpang pada hipokampus dikaitkan dengan gangguan kognitif yang terkait dengan penuaan dan kondisi penyakit (Bettio et al., 2017).

Studi pada manusia (ten Brinkeet al., 2015; Erickson et al., 2011; Pajonk et al., 2010; Teixeira et al., 2018) dan model hewan (Cooper et al., 2018; Neeper et al., 1996; O'Callaghan et al., 2007; Van Praag, 2008) telah menunjukkan efek olahraga dalam mendukung integritas struktural dan fungsional hipokampus, menunjukkan bahwa latihan fisik adalah intervensi non-farmakologis yang efektif untuk gangguan kognitif baik dalam kondisi fisiologis maupun patologis (Intlekofer & Cotman, 2013; Lauretta dkk., 2021; Liu dkk., 2011; Muscari dkk., 2010).

Meskipun banyak penelitian mengenai efek menguntungkan dari olahraga dan hubungan antara hipokampus dan fungsi kognitif, hanya sedikit yang diketahui tentang dinamika temporal dari manfaat yang disebabkan oleh olahraga. Yaitu, berapa durasi latihan yang diperlukan untuk meningkatkan fungsi hipokampus, dan berapa lama manfaat ini bertahan setelah latihan dihentikan?

Bahkan lebih sedikit penelitian yang mencoba menyelidiki mekanisme molekuler yang mendasari pemeliharaan manfaat yang disebabkan oleh olahraga. Mengingat bahwa pola olah raga pada manusia kurang kaku dan konsisten dibandingkan dengan yang digunakan dalam penelitian pada hewan (Lee & Skerrett, 2001), maka penting untuk mengembangkan protokol olah raga yang fleksibel dan tidak memerlukan rutinitas olah raga setiap hari namun tetap dapat melibatkan dan mempertahankan kognitif yang dipicu oleh olah raga. manfaat. Dalam penelitian pada hewan, sulit untuk mengidentifikasi durasi olahraga minimal yang diperlukan untuk memulai dan mempertahankan manfaat olahraga karena adanya variabilitas yang besar dalam protokol olahraga yang digunakan di berbagai penelitian (Loprinzi et al., 2019). Oleh karena itu, tetap penting untuk memeriksa ambang batas latihan yang menginduksi dan mempertahankan manfaat kognitif dan mekanisme yang mendasarinya.

Olahraga memfasilitasi neuroplastisitas, neurogenesis, dan selanjutnya, pembelajaran dan memori melalui mekanisme yang menginduksi aksi neurotropik dari faktor neurotropik yang diturunkan dari otak (BDNF) di hipokampus (Alomari et al., 2013; Cotman et al., 2007; Cotman & Berchtold, 2002; Ding dkk., 2011; Triviño-Paredes dkk., 2016; Van Praag, Christie, dkk., 1999; Van Praag, Kempermann, dkk., 1999). Pada hewan pengerat betina dan jantan, olahraga meningkatkan kinerja perilaku dalam berbagai macam tugas memori, termasuk tugas-tugas yang sangat berorientasi spasial dan berbasis hipokampus: labirin air Morris (MWM), memori lokasi objek (OLM) dan labirin lengan radial selain lainnya. tugas memori berbasis hippocampus seperti pengkondisian rasa takut kontekstual, penghindaran pasif, dan pengenalan objek baru (Intlekofer et al., 2013; Lambert et al., 2005; O'Callaghan et al., 2007; Van Praag, Christie, et al., 1999; Van Praag, Kempermann, dkk., 1999; Vivar, Potter, & Van Praag, 2012).

Pada hewan pengerat jantan, penelitian kami dan lainnya telah mengidentifikasi bahwa durasi latihan minimal 2 minggu diperlukan untuk mendapatkan manfaat dalam pembelajaran dan memori yang dapat dipertahankan melalui periode tidak aktif dan terlibat kembali dengan memperkenalkan kembali sesi latihan 2 hari yang singkat dan di bawah ambang batas (Berchtold et al., 2010; Butler dkk., 2019; Intlekofer dkk., 2013). Pada tingkat molekuler, olahraga selama 2 minggu menginduksi peningkatan regulasi protein faktor neurotropik yang diturunkan dari otak hipokampus pada tikus jantan (Berchtold et al., 2005).

Setelah penurunan level BDNF yang meningkat ke level awal, pengenalan kembali sesi latihan 2 hari yang singkat dan di bawah ambang batas dapat memfasilitasi kembali peningkatan level BDNF hipokampus (Berchtold et al., 2005). Hal ini menunjukkan peningkatan regulasi BDNF yang dimediasi olahraga sebagai mekanisme potensial yang memicu perubahan saraf jangka panjang untuk memungkinkan stimulus frekuensi olahraga yang lebih rendah guna memanfaatkan adaptasi ini dan memfasilitasi manfaat kognitif.

Pensinyalan BDNF mendorong mekanisme yang bergantung pada sintesis protein untuk menginduksi potensiasi jangka panjang (LTP) hipokampus, sebuah korelasi seluler antara pembelajaran dan memori (Panja &Bramham, 2014; Silva, 2003). Oleh karena itu, peningkatan LTP hipokampus setelah latihan disarankan untuk mendasari pembelajaran yang difasilitasi oleh olahraga (L. Bettio et al., 2019; Liuet al., 2011). Sepengetahuan kami, sejauh ini belum ada penelitian yang menyelidiki apakah peningkatan LTP terus berlanjut setelah penghentian olahraga pada kedua jenis kelamin. Beberapa penelitian telah menunjukkan latihan yang secara efisien meningkatkan LTP pada dentate gyrus (Farmer et al., 2004; Van Praag, Christie, et al., 1999; Vasuta et al., 2007), namun, terdapat kelangkaan penelitian yang menyelidiki bagaimana olahraga memodulasi plastisitas sinaptik di subbidang CA1 (Cotman et al., 2007), yang berfungsi sebagai area yang paling banyak dipelajari di hipokampus dalam konteks memori spasial (Patten et al., 2015). Oleh karena itu, hubungan antara olahraga dan plastisitas CA1 masih harus dieksplorasi.

Beberapa penelitian telah mendukung hipotesis bahwa manfaat yang dipicu oleh olahraga bersifat dinamis sementara (Berchtold et al., 2005, 2010; Butler et al., 2019; YP Kim et al., 2003). Mengenai hewan betina, pemahaman kita tentang proses ini kurang menonjol karena sebagian besar penelitian dilakukan terutama pada hewan jantan. Studi tentang pembelajaran dan memori telah memberikan bukti bahwa hasil perilaku serupa antar jenis kelamin mungkin melibatkan mekanisme saraf yang berbeda (Becker & Koob, 2016; Keizer & Wood, 2019; Sase et al., 2019). Meskipun ada data yang menunjukkan bahwa olahraga meningkatkan neuroplastisitas dan kognisi pada kedua jenis kelamin, terdapat bukti jelas mengenai efek olahraga spesifik jenis kelamin dan mekanisme yang mendasarinya.

Pada manusia, olahraga meningkatkan memori lokasi objek pada pria dan bukan pada wanita (Colemanet al., 2018). Pada hewan pengerat, olahraga secara selektif meningkatkan kinerja salah satu jenis kelamin dalam tugas memori tertentu (Barha et al., 2017). Pada tingkat molekuler, distribusi BDNF di berbagai struktur otak dan subwilayah hipokampus berbeda antara jenis kelamin (Bakos et al., 2009; Franklin & Perrot-Sinal, 2006). Bukti yang terkumpul juga menyoroti perbedaan jenis kelamin dalam fungsi dan mekanisme BDNF (Chan & Ye, 2017). Misalnya, hormon reproduksi, estrogen, dapat mengatur ekspresi BDNF melalui berbagai mekanisme, salah satunya melibatkan modifikasi epigenetik pada promotor BDNF (Fortress et al., 2014; Moreno-Piovano dkk., 2014; Chan & Ye, 2017).

Tingkat protein BDNF hipokampus bervariasi sepanjang siklus estrus dengan ekspresi tertinggi yang diamati selama estrus dan proestrus, menunjukkan fluktuasi kadar estrogen sepanjang siklus estrus pada wanita mempengaruhi ekspresi BDNF secara berbeda (Scharfman et al., 2003). Selain itu, siklus estrus juga dapat memodulasi target di bagian hilir jalur sinyal BDNF di hipokampus (Spencer et al., 2008; Spencer-Segal et al., 2011). Ekspresi beberapa gen yang terlibat dalam fungsi hipokampus juga mengalami perubahan dinamis sepanjang siklus estrus (Iqbal et al., 2020). Secara kolektif, data ini menekankan perlunya mengkaji manfaat yang ditimbulkan oleh olahraga secara terpisah pada perempuan dan laki-laki.

Karena penelitian kami sebelumnya telah menetapkan ambang batas olahraga yang melibatkan dan mempertahankan fungsi kognitif yang ditingkatkan oleh olahraga pada tikus jantan (Butler et al., 2019), kami menggunakan paradigma olahraga yang sama untuk menguji dinamika temporal dari manfaat yang dipicu oleh olahraga pada tikus betina. Dalam penelitian ini, kami menunjukkan bahwa pada tikus betina, latihan sukarela selama 14 hari memungkinkan pembentukan memori jangka panjang di bawah kondisi akuisisi subthreshold dari tugas memori lokasi objek (OLM). Mirip dengan laki-laki (Butler et al., 2019), manfaat awal yang disebabkan oleh olahraga dipertahankan melalui periode penundaan menetap selama 7 hari dan dapat diaktifkan kembali dengan periode pengaktifan kembali latihan singkat selama 2 hari untuk memungkinkan pembentukan memori jangka panjang dalam kondisi perolehan di bawah ambang batas.

Kinerja OLM tidak dipengaruhi oleh fase siklus estrus pada saat pelatihan atau tes. Namun, aktivitas berlari secara sukarela meningkat selama fase estrus. Selain itu, kami menunjukkan bahwa olahraga meningkatkan LTP di wilayah CA1 hipokampus pada wanita, dan efek ini tetap ada bahkan setelah periode penundaan menetap, yang menjadi bukti pertama ketahanan temporal neuroplastisitas akibat olahraga pada wanita. Yang mengejutkan kami, penilaian ekspresi Bdnf hipokampus setelah pengambilan memori tidak menghasilkan perbedaan antara kelompok eksperimen, menunjukkan bahwa peningkatan regulasi BDNF yang terus-menerus mungkin tidak diperlukan untuk mempertahankan manfaat kognitif yang disebabkan oleh olahraga.

2. Bahan-bahan dan metode-metode

2.1. Hewan

Tikus C57BL/6J betina berumur 8-minggu (Laboratorium Jackson) ditempatkan secara individual dalam kondisi yang dipahami (20 derajat ± 1 derajat ; kelembapan 70% ± 10%; siklus terang dan gelap 12 jam:12 jam) dan disediakan iklan akses libitum terhadap makanan dan air. Semua percobaan dilakukan selama fase cahaya. Semua percobaan dilakukan oleh pedoman National Institutesof Health untuk perawatan dan penggunaan hewan dan telah disetujui oleh Komite Perawatan dan Penggunaan Hewan Institusional dari University of California, Irvine.

2.2. Perawatan olahraga

Tikus dibagi menjadi beberapa kelompok ({{0}}–0–0: n=8, 14–0–0: n=7, 14–7–0: n=8, 14–7–2; n=8) dan ditempatkan secara individual di kandang latihan (dilengkapi dengan roda lari) atau kandang menetap (kandang standar ). Kandang latihan terbuat dari polikarbonat berukuran 9,3 inci × 13,9 inci × 7,7 inci (panjang × lebar× tinggi) dan dilengkapi dengan roda lari dengan lingkar 40 cm, diameter 12,7 cm (Lafayette Instruments).

Roda sukarela yang berjalan dipantau melalui {{0}},110Sensor/Penghitung yang dicolokkan ke antarmuka pusat yang terhubung ke PC khusus dengan ScurryActivity Monitoring Software (Lafayette Instruments). Parameter latihan terdiri dari periode latihan awal (0 atau 14 hari) diikuti dengan penundaan menetap (0 atau 7 hari), selama waktu tersebut roda lari dilepas. Setelah periode tidak aktif ini, beberapa tikus ditugaskan untuk menerima sesi latihan pengaktifan kembali, yang terdiri dari akses 2D ke roda lari (lihat Gambar 1).

2.3. Identifikasi tahap siklus estrus tikus

Fase siklus estrus dilacak dan dipantau sekitar waktu yang sama (~10 pagi) setiap hari, dimulai pada hari pertama roda berjalan. Penilaian visual dan apusan vagina dilakukan sekali sehari seperti yang dijelaskan oleh McLean dkk. (2012) dan Ajayi dan Akhigbe (2020). Dengan menggunakan pipet, bercak vagina yang basah diambil dalam 5 uL saline.

Untuk mencegah efek kehamilan semu (Adler & Zoloth, 1970), ujung pipet ditempatkan secara hati-hati agar tidak menembus lubang vagina. Cairan pengumpul ditempatkan pada kaca objek dan dikeringkan di udara di RT. Setelah apusan benar-benar kering, preparat diwarnai dengan pewarna kristal violet 0,1% (McLean et al., 2012). Penilaian sitologi dilakukan untuk mengidentifikasi fase siklus estrus (lihat Gambar 2E).

2.4. Tugas memori Lokasi Objek Subthreshold (OLM).

2.4.1. Aparatus—Tugas subthreshold, 3-menit memori lokasi objek (OLM) dilakukan menggunakan serangkaian 4 ruang yang identik. Setiap ruang terbuat dari plastik berwarna putih dengan dimensi 333 mm × 320 mm × 310 mm (panjang × lebar × tinggi) dan berisi Sani-Chips (Produk Hutan PJ Murphy) sedalam ~ 1 cm. Strip tanda hitam matte vertikal ditempelkan pada satu sisi setiap ruang untuk berfungsi sebagai petunjuk navigasi spasial. Setiap konteks diterangi oleh cahaya kuning redup (~15 lx). Perilaku eksplorasi dicatat dan dinilai secara offline menggunakan perangkat lunak pelacakan labirin APAPUN (Stoelting Co.).

2.4.2. Desain eksperimental—pelatihan, pengujian, dan analisis OLM dilakukan seperti yang dijelaskan oleh Vogel-Ciernia dkk. (2015) dengan durasi akuisisi disesuaikan menjadi 3 menit, yang sebelumnya telah kami tunjukkan sebagai subambang batas untuk pengkodean, sehingga menghasilkan kinerja yang buruk pada memori jangka pendek dan jangka panjang (Butler dkk., 2019; Intlekofer dkk.,2013; Malvaez dkk., 2013;McQuown dkk., 2011). Sebelum pelatihan OLM, tikus ditangani dan kemudian dibiasakan dengan konteks eksperimen. Tikus ditangani selama 2 menit per hari selama 4 hari berturut-turut dengan 2 hari terakhir penanganan tumpang tindih dengan pembiasaan. Habituasi terjadi selama 6 hari, di mana tikus dihadapkan pada konteks eksperimental selama 5 menit per hari. Sesi pembiasaan dianalisis (untuk menentukan jarak yang ditempuh dan kecepatan) menggunakan perangkat lunak analisis perilaku labirin APAPUN. Berkurangnya aktivitas selama beberapa hari digunakan sebagai indikator keberhasilan pembiasaan (Gambar Tambahan. S1, S2). Terlepas dari cara latihannya, roda lari dilepas pada malam sebelum pelatihan OLM untuk menghilangkan efek langsung dari lari roda terhadap perilaku.

Setelah pembiasaan, tikus menerima sesi akuisisi 3-menit di mana dua objek identik (100-mL gelas kimia berisi semen) ditempatkan di lokasi berbeda (lokasi A1, kiri atas, ion A2, kanan atas). Benda diletakkan dengan jarak 9 cm satu sama lain, 6 cm dari dinding samping, dan 1 cm dari dinding depan. Untuk menilai memori jangka panjang, tikus menjalani tes 5 menit, 24 jam pasca pelatihan di mana satu objek yang dikenal (diimbangi) dipindahkan ke lokasi baru (lokasi A3, tengah bawah) yang diposisikan 2,5 cm dari dinding bawah. Eksplorasi objek dalam novel (lokasi A3) vs. lokasi familiar/tetap (A1) diperiksa.

Eksplorasi hanya diberi skor ketika kepala tikus menunjuk ke arah objek dan berada dalam jarak 1 cm atau ketika hidung menyentuh objek. Total waktu eksplorasi dicatat (t) dan preferensi terhadap objek baru dinyatakan sebagai indeks diskriminasi (DI=( novel −familiar) / (novel + familiar) × 100%). Untuk sesi pelatihan, objek yang ditunjuk untuk dipindahkan selama sesi pengujian digunakan sebagai objek baru untuk memungkinkan pelatihan dan pengujian DI dibandingkan secara langsung.

Tikus yang menjelajah<2 s during testing or training were excluded from the study. Mice that showed a preference for either object during training (DI > ± 20) were also excluded. All habituation, training, test, and scoring were performed by experimenters blinded to the experimental groups. Mice were sacrificed 60 min after the test and the dorsal hippocampi were dissected and stored at −80 °C until processing for RT-qPCR.

For more information:1950477648nn@gmail.com