Laufbandübungen verhindern den Rückgang des räumlichen Lernens und Gedächtnisses bei 3×Tg-AD-Mäusen durch Verbesserung der strukturellen synaptischen Plastizität des Hippocampus und des präfrontalen Kortex Teil 1

Abstrakt:

Die Alzheimer-Krankheit (AD) ist durch Lern- und Gedächtnisstörungen gekennzeichnet. Ein pathologisches Merkmal von AD sind Veränderungen in der Anzahl und Größe der Synapsen, der Axonlänge, der dendritischen Komplexität und der Anzahl dendritischer Wirbelsäulen im Hippocampus und im präfrontalen Kortex.

Die Alzheimer-Krankheit ist eine neurodegenerative Erkrankung, die vor allem das Gedächtnis, die Denkfähigkeit und die Alltagsfähigkeit der Patienten beeinträchtigt. Obwohl das Gedächtnis von Patienten mit Alzheimer-Krankheit beeinträchtigt ist, können wir sie dennoch aus mehreren Perspektiven verstehen und ihnen helfen.

Erstens nimmt zwar das Gedächtnis von Patienten mit Alzheimer-Krankheit allmählich ab, ihre sensorischen Fähigkeiten und ihre Fähigkeit zum emotionalen Ausdruck werden jedoch nicht beeinträchtigt. Deshalb können wir ihnen helfen, indem wir uns um ihre körperlichen Bedürfnisse kümmern und auf ihre emotionalen Bedürfnisse achten.

Zweitens kann der Gedächtnisverlust von Patienten mit Alzheimer durch Training und Verbesserung der Aufmerksamkeit gelindert werden. Patienten können beispielsweise ihr Gehirn trainieren und ihr Gedächtnis verbessern, indem sie Bücher lesen und an Musikaktivitäten oder Spielen teilnehmen. Darüber hinaus können die Auswirkungen dieser Aktivitäten größer sein, wenn Familienmitglieder und Gemeinschaften den Patienten Unterstützung und Hilfe leisten können.

Schließlich sollten wir die Gesellschaft dazu ermutigen, Patienten mit Alzheimer-Krankheit mehr Aufmerksamkeit und Verständnis zu schenken. Patienten brauchen unsere Gesellschaft und Unterstützung und verlassen sich nicht nur auf ihr Gedächtnis. Nur wenn das soziale Umfeld voller Liebe und Fürsorge ist, kann der Zustand des Patienten besser behandelt und behandelt werden.

Kurz gesagt, der Zusammenhang zwischen der Alzheimer-Krankheit und dem Gedächtnis ist sehr kompliziert, aber wir sollten den Patienten aktiv helfen, ihre Lebensqualität verbessern und die Gesellschaft ermutigen, auf ihre Situation zu achten und sie zu verstehen. Ich hoffe, dass jeder von uns in Zukunft eine bessere und harmonischere Gesellschaft schaffen kann. Es ist ersichtlich, dass wir das Gedächtnis verbessern müssen, und Cistanche kann das Gedächtnis erheblich verbessern, da es auch das Gleichgewicht von Neurotransmittern regulieren kann, beispielsweise durch die Erhöhung des Acetylcholinspiegels und der Wachstumsfaktoren, die für das Gedächtnis und das Lernen sehr wichtig sind. Darüber hinaus kann Cistanche auch die Durchblutung verbessern und die Sauerstoffversorgung fördern, wodurch sichergestellt werden kann, dass das Gehirn ausreichend Nährstoffe und Energie erhält, wodurch die Vitalität und Ausdauer des Gehirns verbessert werden.

Klicken Sie auf „Wissen“, um die kognitive Funktion zu verbessern

Laufbandtraining kann die synaptische Plastizität in Maus- oder Rattenmodellen für Schlaganfall, Ischämie und Demenz verbessern. Ziel dieser Studie war es, die Auswirkungen von Laufbandübungen auf Lernen und Gedächtnis sowie die strukturelle synaptische Plastizität bei 3×Tg-AD-Mäusen, einem Mausmodell für AD, zu untersuchen.

Hier zeigen wir, dass 12 Wochen Laufbandtraining beginnend bei drei Monate alten Mäusen das räumliche Arbeitsgedächtnis bei sechs Monate alten 3×Tg-AD-Mäusen verbessert, während sechs Monate alte 3×Tg-AD-Mäuse, die kein Training absolvierten, eine Beeinträchtigung aufwiesen räumliches Arbeitsgedächtnis.

Um mögliche Mechanismen für die durch Laufbandtraining induzierte Verbesserung des räumlichen Lernens und Gedächtnisses zu untersuchen, untersuchten wir die strukturelle synaptische Plastizität im Hippocampus und im präfrontalen Kortex von sechs Monate alten 3×Tg-AD-Mäusen, die 12 Wochen lang Laufbandtraining absolviert hatten.

Wir fanden heraus, dass das Training auf dem Laufband zu einem Anstieg der Synapsenzahlen, der synaptischen Strukturparameter, der Expression von Synaptophysin (Syn, einem präsynaptischen Marker), der Axonlänge, der dendritischen Komplexität und der Anzahl dendritischer Stacheln bei 3×Tg-AD-Mäusen führte und wiederhergestellt wurde Diese Parameter wurden mit ähnlichen Werten von Nicht-Tg-Kontrollmäusen ohne Laufbandtraining verglichen. Darüber hinaus verbesserte das Laufbandtraining diese Parameter auch bei Nicht-Tg-Kontrollmäusen.

Die Stärkung der strukturellen synaptischen Plastizität könnte einen möglichen Mechanismus darstellen, durch den das Training auf dem Laufband einen Rückgang des räumlichen Lernens und Gedächtnisses sowie den Synapsenverlust bei 3×Tg-AD-Mäusen verhindert.

Schlüsselwörter: Übung; Erinnerung; synaptisch; dendritische Stacheln; strukturelle synaptische Plastizität; 3×Tg-AD-Mäuse.

1. Einführung

Die Alzheimer-Krankheit (AD) ist eine fortschreitende neurodegenerative Erkrankung, die am häufigsten durch Gedächtnisstörungen und kognitiven Verfall gekennzeichnet ist [1]. Schwierigkeiten, sich neu gelernte Informationen zu merken, oder ein Verlust des Kurzzeitgedächtnisses sind ein frühes Symptom von AD [2].

Mit fortschreitender Krankheit kommt es bei AD-Patienten allmählich zu einem Verlust des Langzeitgedächtnisses, der die Lebensqualität erheblich beeinträchtigt. Die AD-Pathologie ist durch die Ansammlung von Amyloid-(A)-Plaques und Tau-Neurofibrillenbündeln im Hippocampus und im präfrontalen Kortex (PFC) gekennzeichnet, die beide Schlüsselstrukturen für Lernen und Gedächtnis sind [3–6].

Frühere Studien legen nahe, dass A und Tau das Gedächtnis beeinträchtigen können, indem sie die synaptische Plastizität im Hippocampus und im präfrontalen Kortex stören [7,8].

Diese synaptische Plastizität umfasst aktivitätsabhängige Veränderungen der synaptischen Wirksamkeit und des Umbaus, des axonalen Keimens und des dendritischen Umbaus sowie der Dynamik der dendritischen Wirbelsäule.

In Tierversuchen störten lösliche A-Oligomere in nanomolaren Konzentrationen, die direkt aus der Großhirnrinde typischer AD-Patienten extrahiert oder aus synthetischen Peptiden erzeugt wurden, die Erinnerung an ein erlerntes Verhalten, indem sie die Langzeitpotenzierung (LTP) wirksam hemmten und so eine langfristige Depression verstärkten (LTD), Reduzierung der dendritischen Wirbelsäulendichte des Hippocampus [9–11].

Mittlerweile wurde gezeigt, dass räumliches Lernen und Gedächtnisstörungen durch synaptische Dysfunktion sowohl bei inhumanen Patienten als auch bei verschiedenen transgenen Mausmodellen von AD, z. B. AppNL-GF [12,13], Tg2576 [14], APP/PS1 [15], verursacht werden. 5×FAD [16] und 3×Tg-AD [17].

Die verminderte synaptische Funktion wurde häufig bei jungen Mäusen vor der Plaquebildung beobachtet, was darauf hindeutet, dass A-Oligomere vor der Plaquebildung synaptische Defizite auslösen [18]. Mittlerweile zeigen Studien mit Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT), dass der Hippocampus und der präfrontale Kortex von Menschen mit Alzheimer-Krankheit mit fortschreitender Krankheit dramatisch schrumpfen [19,20].

AD ist auf der ganzen Welt immer häufiger anzutreffen, und es gibt noch keine verfügbaren Behandlungen, die das Fortschreiten dieser Krankheit heilen oder verlangsamen können. Immer mehr Belege deuten darauf hin, dass körperliche Bewegung die Amyloidbelastung verringert, die synaptische Plastizität sowie Lern- und Gedächtnisdefizite in AD-Modellen an Nagetieren verbessert und das Fortschreiten pathologischer Veränderungen verzögert im Gehirn [21–28].

Körperliche Betätigung kann in verschiedenen experimentellen Modellen über verschiedene Mechanismen wirken. Aerobic-Übungen können die Gehirndurchblutung steigern, die Sauerstoffverwertung verbessern und die Expression von Wachstumsfaktoren hochregulieren, die die synaptische Plastizität und Neurogenese fördern und einen direkten positiven Effekt auf die Gehirnfunktion haben können [29–31].

Zu den beteiligten Mechanismen gehört die Hochregulierung der Genexpression molekularer Ziele, die mit Lernen und Gedächtnis, synaptischer Plastizität und neuronalem Überleben verbunden sind [30].

Darüber hinaus könnten Aerobic-Übungen Lern- und Gedächtnisdefizite verbessern, indem sie den Synapsenverlust im Hippocampus und Kortex bei alternden Ratten, einem Rattenmodell für vaskuläre Demenz und einem Modell für den Verschluss/Reperfusion der mittleren Hirnarterie (MCAO/R) umkehren [31–33].

In der vorliegenden Studie werden die Auswirkungen von 12-wöchigem Laufbandtraining auf räumliches Lernen und Gedächtnis anhand eines achtarmigen Radiallabyrinths bei sechs Monate alten 3×Tg-AD-Mäusen untersucht.

Anschließend werden die möglichen Mechanismen untersucht. Der Hippocampus und der präfrontale Kortex sind bekanntermaßen kritische Gehirnregionen für räumliches Lernen und Gedächtnis [34].

Es wird angenommen, dass die synaptische Plastizität im Hippocampus und im präfrontalen Kortex die zelluläre Grundlage für Lernen und Gedächtnis ist, die von der Stärkung synaptischer Verbindungen abhängt [35].

Frühere Studien haben ergeben, dass die größere synaptische aktive Zone bei der Erregung postsynaptischer Neuronen effektiver ist und dass die Verkürzung der aktiven Zone möglicherweise auf eine beeinträchtigte Effizienz der synaptischen Übertragung zurückzuführen ist [36].

Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt und bindet an Rezeptorproteine ​​auf der Membran des postsynaptischen Neurons, wodurch sich Ionenkanäle in der postsynaptischen Membran entweder öffnen oder schließen.

Die optimale Verkürzung der Ausdehnung des synaptischen Spalts und die Verdickung der postsynaptischen Dichte (PSD) können die Effizienz der synaptischen Übertragung steigern [37–39]. Darüber hinaus bilden Axone, Dendriten und dendritische Stacheln die strukturelle Grundlage der strukturellen synaptischen Plastizität.

In der vorliegenden Studie haben wir festgestellt, ob eine 12-wöchige Vorbehandlung mit Laufbandübungen die A-induzierte Beeinträchtigung der strukturellen synaptischen Plastizität im Hippocampus und im präfrontalen Kortex bei sechs Monate alten 3×Tg-AD-Mäusen veränderte.

Wir fanden heraus, dass 12-wöchiges Laufbandtraining einen Rückgang des räumlichen Lernens und des Gedächtnisses bei sechs Monate alten 3×Tg-AD-Mäusen verhinderte und dass Laufbandtraining zu einer verbesserten strukturellen synaptischen Plastizität führte, indem die Synapsenanzahl und die synaptischen Strukturparameter, die Expression von Synaptophysin (Syn ), die Axonlänge, die dendritische Komplexität und die Anzahl der dendritischen Wirbelsäulen. Diese Mechanismen könnten der durch das Laufbandtraining verursachten Verbesserung von Lernen und Gedächtnis zugrunde liegen.

2. Materialien und Methoden

2.1. Tiere

Dreifach transgene männliche Mäuse der Alzheimer-Krankheit (3×Tg-AD) (mit den Transgenen PS1M146Vknockin, APPswe und TauP301L) wurden vom Jackson Laboratory erworben. Altersentsprechende männliche C57BL/6J-Mäuse wurden als nicht transgene (Nicht-Tg) eingesetzt. Kontrollen.

Die Studie wurde an 3-Monaten alten 3×Tg-AD-Mäusen (n=20) und Nicht-Tg-Mäusen (n=20) durchgeführt. Alle Tiere erhielten nach Belieben Zugang zu Futter und Wasser in einem Raum mit kontrollierter Temperatur (23 ± 1 °C) und Luftfeuchtigkeit (40–60 %) sowie einem 12-stündigen Hell-Dunkel-Zyklus.

Vor den Verhaltensexperimenten wurden die Mäuse drei bis sechs Tage lang täglich behandelt. Die gesamte Tierhaltung und -nutzung erfolgte nach Protokollen, die von der Ethikkommission der Beijing SportUniversity (2015–15) genehmigt wurden.

2.2. Trainingsprotokoll für das Laufband

Im Alter von 3 Monaten wurden die Mäuse zufällig in vier Gruppen eingeteilt (jeweils n=10): Nicht-Tg-Kontrollgruppe, Nicht-Tg-Übungsgruppe, 3×Tg-AD-Kontrollgruppe und 3×Tg-AD-Übungsgruppe .

Alle trainierten Mäuse durften sich an drei aufeinanderfolgenden Tagen für 30 Minuten an das Laufbandlaufen gewöhnen (erster Tag bei 5 m/min; zweiter und dritter Tag bei 10 m/min).

Dann wurden diese Mäuse 10 Minuten lang einem Laufband-Trainingsprotokoll mit einer Geschwindigkeit von 12 m/min auf einer 0◦-Steigung unterzogen, dann 50 Minuten lang mit 15 m/min. Insgesamt wurden die Mäuse 12 Wochen lang 1 Stunde pro Tag, 5 Tage pro Woche, trainiert.

Laut unserem Test mit einem geschlossenen Einzellaufband, das an ein Oxymax/Comprehensive Laboratory Animal Monitoring System angeschlossen ist, hält dieses Langzeit-Trainingsprotokoll die Trainingsintensität zwischen 50 % und 65 % des VO2max.

Mäuse in der Nicht-Tg-Kontrollgruppe und der 3×Tg-AD-Kontrollgruppe wurden für den gleichen Zeitraum wie die Trainingsgruppen auf dem Laufband belassen, ohne zu laufen. Wir führten zunächst den Acht-Arm-Radial-Labyrinth-Test für alle Mäuse durch (10 Mäuse in jeder Gruppe, 6 Monate alt).

Als nächstes untersuchten wir die histologischen Anomalien durch Golgi-Färbung (3 Mäuse in jeder Gruppe), Western Blot (3 Mäuse in jeder Gruppe) und Elektronenmikroskopie (4 Mäuse in jeder Gruppe) (Abbildung 1A).

Abbildung 1. Laufbandtraining verhindert den Rückgang des räumlichen Lernens und des Gedächtnisses bei 3×Tg-AD-Mäusen. (A) Zeitleiste der Laufbandübung oder Nicht-Trainingskontrolle, Verhaltenstest und histologischer Test. (B)

Der Prozentsatz der Arbeitsgedächtnisfehler an Tag 5 und Tag 6 war bei den 3×Tg-AD-Mäusen im Vergleich zur Nicht-Tg-Kontrollgruppe signifikant erhöht (B; ** p < 0.01, n=10 Mäuse).

Der Anstieg des Prozentsatzes von Arbeitsgedächtnisfehlern wurde durch Vorbehandlungen mit Laufbandübungen verhindert (B; ## p < {{0}}.01,n=10 Mäuse). (C) Es gab keine signifikanten Auswirkungen auf den Prozentsatz der Referenzgedächtnisfehler zwischen Nicht-Tg-Kontrollmäusen, Nicht-Tg-Übungsmäusen, 3×Tg-AD-Kontrollmäusen und 3×Tg-AD-Übungsmäusen (C; p > 0,05, n {{ 11}} Mäuse).

2.3. Achtarmiger radialer Labyrinthtest

Das achtarmige Radiallabyrinth bestand aus einer zentralen Plattform mit einem Durchmesser von 18 cm und acht Armen, die von der zentralen Plattform ausgingen, jeder 30 cm lang, 7 cm breit und 15 cm hoch, mit einem gleichen Winkelabstand zwischen benachbarten Armen. Das achtarmige Radiallabyrinth war blau gestrichen.

Am Ende jedes Arms befand sich ein Lebensmittelbecher mit einem Durchmesser von 3 cm und einer Tiefe von 1 cm. Zwischen jedem Arm und der Mitte des Labyrinths befand sich eine Tür. Eine über dem Labyrinth angebrachte Videokamera war mit einem Computer verbunden, um die Bewegungen der Tiere aufzuzeichnen.

Das Labyrinth befand sich 35 cm über dem Boden in einem schwach beleuchteten Raum mit mehreren zusätzlichen Labyrinth-Hinweisen. Während des gesamten experimentellen Prozesses wurde Schokolade als Nahrungsmittel verwendet. Die Daten wurden mit der Ethologie-Videoanalysesoftware (JLBehv-8ARMM, ShanghaiJiliang Company, Shanghai, China) analysiert.

Um die Motivation für Schokolade im Radiallabyrinth-Protokoll zu steigern, wurde den Mäusen eine weitere Woche lang Futterrestriktionen auferlegt, um 80–85 % des ursprünglichen Körpergewichts zu erreichen, und die Mäuse wurden während der gesamten Studie unter diesen Bedingungen gehalten.

Die Aufgabe im Radiallabyrinth war in Anpassungs- und Erwerbssitzungen unterteilt. An den beiden aufeinanderfolgenden Tagen der Anpassungssitzung wurde jede Maus auf der zentralen Startplattform platziert.

Nach 10 s wurden alle Türen geöffnet und die Maus durfte 10 Minuten lang jeden Arm des Labyrinths erkunden und Nahrung (0,08 g Schokolade) verzehren. Die Akquisitionssitzung bestand aus einem Versuch, der einmal täglich an 10 aufeinanderfolgenden Tagen durchgeführt wurde.

Vier der Arme (1, 3, 5 und 7) wurden mit Schokoladenbelohnungen geködert. Die Mäuse wurden in die Mitte des Labyrinths gesetzt und nach 10 Sekunden wurden alle Türen geöffnet. Die Aktivitäten der Mäuse wurden automatisch aufgezeichnet und anschließend mithilfe eines Video-Tracking-Systems analysiert.

Als Armeintritt wurde gezählt, wenn alle vier Pfoten der Maus den Armanfang kreuzten. Der Versuch wurde fortgesetzt, bis die Maus in alle vier mit Köder versehenen Arme eindrang. Am Ende des Versuchs wurde die Maus in den Heimkäfig zurückgebracht.

Der Eintritt in einen Arm ohne Köder wurde als Referenzspeicherfehler und ein erneuter Eintritt in einen zuvor besuchten Arm mit Köder als Arbeitsspeicherfehler gewertet.

Bei der tabellarischen Darstellung der Leistung wurde der Prozentsatz der Arbeitsgedächtnisfehler (Kurzzeitgedächtnis) als alle wiederholten Einträge an der Gesamtzahl der Einträge definiert und der Prozentsatz der Referenzgedächtnisfehler (Langzeitgedächtnis) als Prozentsatz der Einträge in einen Arm ohne Köder und solche ohne Verbrauch Köder beim Betreten der mit Ködern versehenen Arme von der Gesamtzahl der Einträge [40,41].

2.4. Golgi-Färbung

Zur Quantifizierung morphologischer Veränderungen wurden der Hippocampus und der Präfrontalkortex mit einem Golgi-Färbekit (FD Rapid Golgi Stain Kit PK-401, FD NeuroTechnologies, Columbia, MD, USA) gemäß den Anweisungen des Herstellers gefärbt.

Kurz gesagt, die Gehirne wurden entnommen und 17 Tage lang im Dunkeln in Gläser mit 20 ml Golgi-Cox-Lösung gegeben, bevor sie mit einem Kryostat (Leica, Nussloch, Deutschland) in 60-µm-Scheiben geschnitten wurden.

Die Schnitte wurden 10 Minuten lang in der Färbelösung inkubiert, in einer aufsteigenden Ethanolreihe (50 %, 70 %, 95 % und 100 %) dehydriert und zweimal in Xylol geklärt. Abschließend wurden die Objektträger mit Permount abgedeckt.

Pyramidenzellen aus der CA1-Region des Hippocampus oder der Schicht V des präfrontalen Kortex wurden mit dem Mikroskop bei 200-facher und 1000-facher Vergrößerung gezeichnet.

Neuronen wurden ausgewählt, wenn sie nicht verdeckt waren (durch Gefäßsysteme, Gliazellen oder andere Neuronen) und innerhalb des Abschnitts vollständig gefärbt und intakt zu sein schienen.

Die Länge des Axons wurde gemessen, indem manuell ein Neurit von der Grenze des Somas bis zur Spitze des Axons verfolgt wurde [42]. Die dendritische Morphologie wurde durch Sholl-Analyse beurteilt.

Ein transparentes Gitter mit äquidistanten (10 µm) konzentrischen Ringen wurde über den dendritischen Baumspuren zentriert. Die Anzahl der Ringschnittpunkte wurde verwendet, um die gesamte dendritische Länge und die dendritische Karborisierung abzuschätzen [43–45].

Schließlich sammelten wir 9–13 Schnitte im CA1-Hippocampus und im präfrontalen LayerV-Kortex von 3 Mäusen in jeder Versuchsgruppe. Um die Spine-Zahl zu berechnen, wurde eine Länge des Dendriten (mindestens größer oder gleich 10 µm lang, 2.-oder Dendriten) nachgezeichnet (bei 1000-facher Vergrößerung). Die genaue Länge jedes dendritischen Astes wurde berechnet und die Anzahl der Stacheln entlang der Länge gezählt (um Stacheln/10 µm zu ergeben) [43].

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

Stacheln gelten als dünn, wenn die Länge größer als der Halsdurchmesser ist und die Durchmesser von Kopf und Hals ähnlich sind. Stacheln werden als Pilze klassifiziert, wenn der Durchmesser des Kopfes größer ist als der Durchmesser des Halses. Stacheln gelten als stämmig, wenn Länge und Breite gleich sind.

For more information:1950477648nn@gmail.com