فحص التباين النهاري والاختلافات بين الجنسين في الفيزيولوجيا العصبية الحصين والذاكرة المكانية الجزء 1

خلاصة

إيقاعات الساعة البيولوجية هي عمليات بيولوجية تدور على مدار 24 ساعة وتنظم العديد من جوانب الفيزيولوجيا العصبية، بما في ذلك التعلم والذاكرة. تم توثيق التباين اليومي في أداء مهمة الذاكرة المكانية بشكل جيد؛ ومع ذلك، فإن تأثير الجنس عبر الوقت اليومي (CT) لا يزال غير واضح.

الفيزيولوجيا العصبية هي دراسة بنية الجهاز العصبي ووظيفته وعلم أمراضه. تشير الذاكرة إلى قدرة الفرد على حفظ معلومات الذاكرة وإعادة إنتاجها واستخدامها. هناك علاقة لا تنفصم بين الفيزيولوجيا العصبية والذاكرة.

في الفيزيولوجيا العصبية، هناك بنية تسمى المشبك، وهي جزء لا يتجزأ من الجهاز العصبي. المشابك العصبية هي المكان الذي يتم فيه نقل المعلومات بين الخلايا العصبية، وتعتمد الذاكرة على المشابك العصبية. عندما تتلقى الخلية العصبية معلومات، فإنها تتواصل مع الخلايا العصبية الأخرى من خلال المشابك العصبية وتنقل المعلومات. يشكل تقوية أو إضعاف هذه الاتصالات الأساس لتكوين الذاكرة وتغييرها.

الذاكرة هي مجرد نتيجة للتبادلات والحسابات المتعددة بين الخلايا العصبية المختلفة في الدماغ البشري. عدد الخلايا العصبية في الجسم ثابت، أي أن احتياطي الذاكرة لدينا ثابت. ولذلك، فإن تحسين الذاكرة يعني تحسين قوة الاتصالات بين الخلايا العصبية، وكذلك عدد ونوعية الاتصالات بين المشابك العصبية، الأمر الذي يتطلب مزيدًا من المعرفة بعلم وظائف الأعضاء العصبية.

ولذلك، فإن الأبحاث الفيزيولوجية العصبية مفيدة جدًا لتحسين الذاكرة الفردية. يمكن أن يساعدنا تعلم الفيزيولوجيا العصبية على فهم كيفية عمل الدماغ البشري بشكل أفضل، مما يسمح لنا بتحسين الذاكرة من خلال التمارين والتدريب. وتشمل بعض الأساليب تقوية الروابط بين الخلايا العصبية عن طريق القراءة أكثر والتفكير أكثر، وتحسين كمية ونوعية المشابك العصبية عن طريق أداء التمارين العقلية المختلفة.

باختصار، لا تساعدنا أبحاث الفيزيولوجيا العصبية على فهم العلاقة بين الدماغ البشري والذاكرة بشكل أفضل فحسب، بل توفر أيضًا طرقًا وتقنيات مختلفة لتحسين الذاكرة الفردية. لذلك، يجب علينا أن نتعلم بنشاط المعرفة ذات الصلة بالفيزيولوجيا العصبية لخلق بيئة أفضل لذاكرتنا. يمكن ملاحظة أننا بحاجة إلى تحسين ذاكرتنا. يمكن لـ Cistanche deserticola أن يحسن الذاكرة بشكل كبير لأن Cistanche deserticola هي مادة طبية صينية تقليدية لها العديد من التأثيرات الفريدة، أحدها هو تحسين الذاكرة. تأتي فعالية اللحم المفروم من المكونات النشطة المختلفة التي يحتوي عليها، بما في ذلك الأحماض والسكريات والفلافونويد وغيرها. ويمكن لهذه المكونات تعزيز صحة الدماغ بطرق مختلفة.

انقر فوق تعرف على 10 طرق لتحسين الذاكرة

بالإضافة إلى ذلك، لا يُعرف سوى القليل فيما يتعلق بتأثير الوقت من اليوم على فسيولوجيا الخلايا العصبية الحصين. هنا، قمنا بدراسة تأثير كل من الجنس والوقت من اليوم على الفيزيولوجيا العصبية الحصين والذاكرة في الفئران. يعتمد الأداء في مهمة ذاكرة تحديد موقع الكائن (OLM) على كل من الوقت اليومي والجنس، مع تعزيز الذاكرة في الليل عند الذكور ولكن أثناء النهار عند الإناث. كان حجم التقوية التشابكية طويلة المدى (LTP) عند نقاط الاشتباك العصبي CA3- CA1 أكبر في الليل مقارنةً بالنهار في كلا الجنسين.
بعد ذلك، قمنا بقياس الإثارة والتثبيط المتشابك التلقائي على الخلايا العصبية الهرمية CA1. كان تواتر واتساع التثبيط أكبر خلال النهار مقارنة بالليل، بغض النظر عن الجنس. كان تواتر وسعة الإثارة أكبر عند الإناث، مقارنة بالذكور، بغض النظر عن الوقت من اليوم، على الرغم من أن الوقت من اليوم والجنس يؤثران على احتمالية إطلاق ما قبل المشبكي.

في الليل، أظهرت الخلايا العصبية الهرمية CA1 استثارة معززة (إطلاق إمكانات الفعل و/إمكانات خط الأساس) التي كانت تعتمد على الإثارة والتثبيط التشابكي، بغض النظر عن الجنس. تؤكد هذه الدراسة على أهمية الجنس والوقت من اليوم في فسيولوجيا الحصين، خاصة وأن العديد من الاضطرابات العصبية التي تؤثر على الحصين ترتبط باضطراب الساعة البيولوجية وتظهر بشكل مختلف عند الرجال والنساء. إن المعرفة حول كيفية تأثير إيقاعات الجنس والإيقاع اليومي على فسيولوجيا الحصين يمكن أن تحسن من أهمية الترجمة للعلاجات وتحدد التوقيت المناسب للعلاجات الحالية.

الكلمات الدالة:

الساعة البيولوجية. قرن آمون؛ ذاكرة؛ الليونة؛ إيقاعات. متشابك.

بيان الأهمية

تنظم إيقاعات الساعة البيولوجية العديد من جوانب الفيزيولوجيا العصبية، بما في ذلك الإدراك. ومع ذلك، فإن تأثير الوقت من اليوم والجنس على الفيزيولوجيا العصبية الحصين والذاكرة المعتمدة على الحصين لا يزال غير مستكشف إلى حد كبير.

هنا، نذكر أن التنظيم اليومي لذاكرة موقع الكائن (OLM) يعتمد على الجنس. علاوة على ذلك، كشف فحص فسيولوجيا الحصين عبر الوقت من اليوم لدى كلا الجنسين: تعزيز التقوية التشابكية على المدى الطويل في الليل، وزيادة النقل التشابكي المثبط خلال النهار إلى الخلايا العصبية الهرمية CA1، وتأثيرات كلا الجنسين والوقت من اليوم على النقل التشابكي الاستثاري إلى CA1. الخلايا العصبية الهرمية، وتعزيز الاستثارة الليلية للخلايا العصبية الهرمية CA1 التي تعتمد على كل من المدخلات المتشابكة والموضع على طول محور الحصين الأمامي الخلفي. تؤكد هذه النتائج على أهمية مراعاة الجنس والموقع الإقليمي والوقت من اليوم في دراسة فسيولوجيا الحصين.

مقدمة

الحصين هو مقر التعلم والذاكرة في الدماغ ويتم توليد مخرجاته الأولية بواسطة الخلايا الرئيسية (أي الخلايا العصبية الهرمية) في المنطقة CA1. إطلاق إمكانات الفعل بواسطة الخلايا العصبية الهرمية CA1، مثل أي خلية عصبية أخرى، هو وظيفة مشتركة للمحرك التشابكي الاستثاري والمثبط، وخصائص الغشاء الداخلي التي تنظم الاستثارة، والمعدلات العصبية (سبروستون، 2008).

أحد الجوانب غير المستكشفة نسبيًا في الحصين هو كيفية تعديل فسيولوجيا الخلايا العصبية الهرمية CA1 حسب الوقت من اليوم. على المستوى الخلوي، يتم إنشاء الاختلافات في الوظيفة البيولوجية على مدار اليوم من خلال حلقة ردود الفعل النسخية-الترجمة (Partch et al., 2014). يتم تنظيم ساعات الأنسجة في جميع أنحاء الجسم بشكل هرمي في نظام يحرك توقيت إيقاعات الساعة 24- في علم وظائف الأعضاء والسلوك، مما يمكّن الكائنات الحية من التكيف مع الأحداث التي تحدث بانتظام في بيئتها وتوقعها (Pilorz et al., 2020; Buijs et آل، 2021).

يعد التنظيم اليومي للعمليات الفسيولوجية مفيدًا، ويمكن أن يؤدي عدم تنظيم إيقاعات الساعة البيولوجية إلى تعزيز وتفاقم ظهور المرض وأعراضه (Logan and McClung,2019; Colwell, 2021). لذلك، فإن فهم تأثير الساعة البيولوجية على علم وظائف الأعضاء أمر بالغ الأهمية لتصميم التدخلات للأمراض التي تعاني من خلل في الساعة البيولوجية، مثل أمراض التنكس العصبي (Lee et al., 2021).

علاوة على ذلك، فإن غالبية المعرفة الأساسية المتعلقة بالمبادئ الأساسية لعلم وظائف الأعضاء الحصين تعتمد على الدراسات التي أجريت على القوارض الليلية، ومعظمها من الذكور، خلال مرحلتها الخاملة (النهار). في حين أن المجتمع العلمي قد بدأ في تناول أهمية الجنس كعامل في البحوث الطبية الحيوية، إلا أن أهمية الوقت من اليوم لا تزال غير مؤكدة نسبيًا. كان الهدف الشامل لهذه الدراسة هو البدء في الكشف عن كيفية تفاعل الجنس والوقت من اليوم للتأثير على التنوع اليومي في فسيولوجيا الحصين ووظيفته.

تعد النواة فوق التصالبية (SCN) في منطقة ما تحت المهاد هي المُنسق الرئيسي لشبكة الساعة البيولوجية الداخلية، وتختلف الخواص الكهربائية للخلايا العصبية SCN عبر وقت اليوم.

ينتشر التنظيم اليومي لاستثارة الخلايا العصبية على نطاق واسع في دماغ الثدييات (بول وآخرون، 2020) وقد لوحظ في مجموعة من الأنواع، بما في ذلك القوارض (سنيدر وآخرون، 2018)، ذبابة الفاكهة (كاو ونيتاباخ، 2008؛ شيبا، 2008)، والأسماك الزرد (الباز وآخرون، 2013). على الرغم من أن SCN هي الساعة الرئيسية، إلا أن الساعات البيولوجية المستقلة موجودة في مناطق أخرى من الدماغ، بما في ذلك الحصين (Paul et al., 2020; Hartsock and Spencer, 2020). على المستوى الجزيئي، تعبر المناطق الفرعية من الحصين بشكل إيقاعي عن بروتينات الساعة الأساسية، مع وجود طبقة جسم الخلية في المنطقة CA1 التي تتمتع بأقوى تعبير عن PER2 (جيلج وآخرون، 2010). علاوة على ذلك، فإن أكثر من 600 جين، بما في ذلك تلك التي تشفر القنوات الأيونية والبروتينات المتشابكة، تظهر تعبيرًا يوميًا في الحصين (Zhang et al., 2014; Renaud et al., 2015).

على المستوى الخلوي، يتم التعبير عن التقوية طويلة المدى (LTP)، وهي شكل من أشكال اللدونة حيث تؤدي أنماط معينة من التحفيز التشابكي إلى زيادة طويلة الأمد في قوة النقل التشابكي، بقوة أكبر في الليل مقارنة بالنهار في الفئران الليلية (تشودري). وآخرون، 2005؛ بيسينج وآخرون، 2017؛ ديفيس وآخرون، 2020). يتم أيضًا تنظيم الوظيفة الإدراكية من خلال نظام الساعة البيولوجية (رايت وآخرون، 2012) وقد تم إثبات تنظيم الساعة البيولوجية للأداء في فحوصات الذاكرة المعتمدة على الحصين عبر عدة أنواع (سنيدر وآخرون، 2018).

ومع ذلك، فإن فهمنا لكيفية تأثير الجنس على تنظيم الساعة البيولوجية للإدراك محدود. علاوة على ذلك، لا توجد أدلة على المستوى الخلوي، بما في ذلك الفهم التفصيلي لكيفية تنظيم الوقت من اليوم والجنس للمحرك التشابكي على خصائص غشاء الخلايا الهرمية CA1. سعينا هنا إلى تحديد كيفية تعديل الجنس والوقت من اليوم لدائرة الحصين: بدءًا من المستوى السلوكي وصولاً إلى فسيولوجيا الخلايا العصبية الفردية.

لقد وجدنا أن التنظيم اليومي للذاكرة المعتمدة على الحصين يعتمد على الجنس، في حين أن الاختلافات بين النهار والليل في الحصين LTP ليست كذلك. ووجدنا أيضًا أن النقل التشابكي واستثارة الخلايا العصبية يختلفان تبعًا للوقت من اليوم، واكتشفنا أن بعض هذه التغيرات تعتمد على الجنس.

المواد والأساليب

الحيوانات

اتبعت جميع الإجراءات الحيوانية دليل رعاية واستخدام حيوانات المختبر، دائرة الصحة العامة بالولايات المتحدة، وتمت الموافقة عليها من قبل لجنة رعاية واستخدام الحيوان المؤسسية بجامعة ألاباما في برمنغهام. استخدمت جميع التجارب 6- إلى 12-فئران C57BL/6J عمرها أسبوع لكلا الجنسين تم الحصول عليها من مختبرات جاكسون (http://jaxmice.jax.org/strain/013636.html) أو مستعمرة C57BL/6J في جامعة ألاباما في برمنغهام.

تم الحفاظ على الفئران في دورة الضوء / الظلام لمدة 12/12 ساعة مع إمكانية الوصول إلى الغذاء (LabDiet Rodent 5001 by Purina) والماء. تم تجميع الفئران في أقفاص من نفس الجنس مكونة من أربعة فئران لإجراء تجارب سلوكية. بالنسبة لجميع التجارب الأخرى، تم وضع الفئران في أقفاص جماعية مكونة من اثنين إلى سبعة فئران لكل قفص.

ذاكرة موقع الكائن (OLM)

تم إجراء مهمة ذاكرة موقع الكائن (OLM) (Snider et al.,2016) تحت ضوء أحمر خافت قدره 10 لوكس. تم استخدام أربع مجموعات من الفئران، كل مجموعة مكونة من ثمانية ذكور وثماني إناث. داخل كل مجموعة، تم تعيين الفئران للخضوع للتعود والتدريب والاختبار إما أثناء النهار أو أثناء الليل. في الأفواج 1 و 3، تم اختبار الذكور خلال النهار، وتم اختبار الإناث ليلا. في الأفواج 2 و 4، تم اختبار الإناث خلال النهار وتم اختبار الذكور في الليل.

تم تقييد الفئران في دورة الضوء/الظلام (LD) لمدة 12/12 ساعة، ثم تم تعويدها على الساحة لمدة يومين في وقت Zeitgeber (ZT) الرابع أو ZT 16 (حيث يشير ZT 12 إلى إطفاء الأنوار)، ليلا ونهارا، على التوالي (الأيام 1-2؛ الشكل 1 أ، ب). بعد اليوم الثاني، تم إطلاق الفئران في ظلام مستمر (DD) وتم تعويدها مرة أخرى على الساحة في الوقت اليومي المتوقع (CT) 4 أو 16 (الأيام 3-4، حيث يشير CT 12 إلى الوقت المتوقع لإطفاء الأنوار من دورة LD السابقة؛ الشكل 1 أ، ب). تم السماح للفئران بالتأقلم مع غرفة السلوك لمدة 20 دقيقة كل يوم مباشرة قبل التعود أو التدريب/الاختبار.

يتكون التعود من 5 دقائق من التعامل، يتبعها 5 دقائق من استكشاف الساحة مع وجود إشارات بصرية. تتكون الإشارات المرئية من خطوط عمودية على أحد الجدران وعلامة X حمراء كبيرة على جدار آخر. كانت الساحات 35.5 × 25.4 سم مع جدران بارتفاع 20.3 سم. تم إجراء تدريب واختبار OLM في DD، بعد 24 ساعة من اليوم الأخير من التعود على CT 4 أو CT 16. تم تصنيع الكائنات باستخدام كتل بناء PRETEX (رقم الصنف 8030-100) وكان لها ثلاثة مواقع محتملة داخل الساحة، جميعها على الأقل 8.9 سم بعيدا عن الجدران.

أثناء التدريب، تم السماح لكل فأر باستكشاف الساحة باستخدام كائنين لمدة 5 دقائق. بعد ذلك، أُعيد الفأر إلى قفصه المنزلي لمدة 30 دقيقة، حيث تم خلالها نقل أحد الكائنات من الاستكشاف الأصلي إلى موضع جديد (الموقع الجديد) بينما ظل أحد الكائنات في موضعه الأصلي (الموقع المألوف؛ الشكل 1C). تم اختيار فترة استدعاء 30- دقيقة بناءً على الأساليب المنشورة مسبقًا (Snider et al., 2016) ولتجنب تداخل الذاكرة بسبب الحرمان من النوم أو تحسين الذاكرة من فترة النوم طوال الليل.

في مرحلة الاختبار، تم وضع كل فأر مرة أخرى في الساحة مع كائنات الموقع الجديدة والمألوفة وتم السماح له بالاستكشاف لمدة 5 دقائق. تم تسجيل جميع التعود والتدريب والاختبار بمعدل 30 إطارًا في الثانية (طراز كاميرا ELP: ELP-USBFHD05MT-KL36IR). تم تتبع الاستكشاف باستخدام نموذج كمبيوتر تم إنشاؤه عبر DeepLabCut. تم بعد ذلك تحليل تفاعل الكائنات باستخدام نصوص MATLAB(MathWorks) المخصصة التي طورتها ماري فيليبس (https://github.com/PhillipsML/DLC-NovelObject#dlc-novel object).لتحليل البيانات، تم تطبيق العديد من معايير الاستبعاد: الفئران التي عرضت تفضيل جانبي واضح، تم استبعاد الفئران التي قضت معظم وقتها في استكشاف الأشياء لمحاولة الهروب من الساحة، والفئران التي لديها تفضيل كبير لجسم واحد على الآخر أثناء التدريب. تم حساب مؤشر التمييز على النحو التالي: (الوقت المستغرق في استكشاف موقع الكائن الجديد، الوقت المستغرق في استكشاف موقع الكائن المألوف) / (الوقت المستغرق في استكشاف موقع الكائن الجديد، الوقت المستغرق في استكشاف موقع الكائن المألوف).

الفيزيولوجيا الكهربية

تحضير شريحة

قُتلت الفئران بخلع عنق الرحم وقطع الرأس السريع عند ZT {{0}}–1 أو ZT 11–12 للتجارب النهارية والليلية، على التوالي. تم تداخل كل من الجنس والوقت من اليوم. بالنسبة للتجارب الميدانية خارج الخلية، تمت إزالة العقول وتم تحضير شرائح إكليلية يبلغ طولها 350- ملم باستخدام مقطع الاهتزاز VT1200 S (Leica Biosystems) في محلول مثلج يحتوي على ما يلي (بالمللي مولار): 85 NaCl، 2.5KCl، 4 MgSO4 *7H2O. ، 0.5 CaCl2 * 2H2O، 1.25 NaH2PO4، 75 سكروز، 25 NaHCO3، 25 جلوكوز مشبع بـ 95% O2 و5% CO2. تم السماح للشرائح بالراحة لمدة ساعة واحدة على الأقل في محلول استرداد من CSF الاصطناعي القياسي (ACSF) الذي يحتوي على ما يلي (بالمللي مولار): 119 NaCl، 2.5 KCl، 1.3 MgSO4 * 7H2O، 2.5 CaCl2 * 2H2O، 1 NaH2PO4، 26 NaHCO3، و11 جلوكوز، مملوء بـ 95% O2/5% CO2.

بالنسبة لتجارب تصحيح الخلايا الكاملة، تمت إزالة العقول وتم تحضير شرائح إكليلية بسمك 300- مم باستخدام VT1200 S vibratome (LeicaBiosystems) في محلول بارد مثلج يحتوي على ما يلي (بالمللي مولار) : 110 كلوريد الكولين، 25 جلوكوز، 7 MgCl2، 2.5 KCl، 1.25 Na2PO4، 0.5 CaCl2، 1.3 Na-ascorbate، 3 Na-Pyruvate، و 25 NaHCO3، فقاعات بنسبة 95٪ O2 / 5٪ CO2.
تم السماح للشرائح بالراحة لمدة ساعة واحدة على الأقل في درجة حرارة الغرفة في محلول الاسترداد الذي يحتوي على ما يلي (بالمللي مولار): 125 NaCl، 2.5 KCl، 1.25 Na2PO4، 2 CaCl2، 1 MgCl2، 25 NaHCO3، و25 جلوكوز، مملوء بـ 95% O2/ 5% ثاني أكسيد الكربون. بالنسبة للتجارب التي تقيس الأحداث المتشابكة المثبطة، تمت إضافة 2 ملي مولار من حمض الكينورينيكا إلى محلول الاسترداد.

التسجيلات الميدانية

تم الحصول على البيانات من ZT 1–6 أو ZT 12–18 للتسجيلات النهارية والليلية، على التوالي. تم وضع شرائح الحصين الإكليلية في غرفة غاطسة وتم ضخها بشكل مستمر باستخدام ACSF القياسي عند 3-5 مل/دقيقة و26-28 درجة. تم تحفيز محاور شافر الجانبية باستخدام قطب كهربائي محفز ثنائي القطب يوضع في الطبقة المشعة من المنطقة CA3. تم الحصول على EPSPs الميدانية (fEPSPs) باستخدام قطب كهربائي مسجل تم وضعه في الطبقة المشععة للمنطقة CA1، في حدود 200-300 مم من القطب المحفز.

تم قياس المنحدر الأولي لـ fEPSPs (منحدر fEPSP) في المنطقة الخطية مباشرة بعد كرة الألياف وقبل ذروة fEPSP. تم الحصول على البيانات وتحليلها باستخدام pCLAMP10/11 (الأجهزة الجزيئية). تم تسجيل البيانات باستخدام مضخم الصوت Kerr Scientific S2 (Kerr Tissue Recording System، Kerr Scientific Instruments). تم رقمنة الإشارات عند 10 كيلو هرتز (Digidata 1550B).

تم إنشاء منحنيات المدخلات والمخرجات (I / O) عن طريق قياس ميل fEPSPs من استجابة طبقة CA1 المشعة إلى سلسلة من شدة التحفيز المتزايدة (0.2–200 مللي أمبير ، D 10 مللي أمبير) في Schaffer Colliters. تم الحصول على fEPSPs الأساسي من خلال تقديم تحفيز قدره 0.1- هرتز لاستنباط fEPSPs بحوالي 0.20 مللي فولت / مللي ثانية لمدة 20 دقيقة.

تم إجراء تجارب التقوية طويلة المدى (LTP) من خلال الحصول على استجابة أساسية مستقرة لـEPSP والحفاظ عليها لمدة 20 دقيقة، ثم تم تحفيز LTP من خلال تقديم تحفيز عالي التردد (HFS؛ 100 هرتز؛ 0.5 تكثف؛ تم توصيله 2 مع الفاصل الزمني 15- ثانية). تم اختيار بروتوكول التحفيز الأضعف هذا لتجنب إخفاء الفرق بين النهار والليل في حجم LTP (Besing et al.,2017; Davis et al., 2020). بعد HFS، تم تسجيل منحدرات fEPSP لمدة 40 دقيقة.

For more information:1950477648nn@gmail.com