יישום של תנועת ראש פסיבית ליצירת תאוצות מוגדרות בראשי מכרסמים
Summary
הפרוטוקול הנוכחי מתאר מערכת “תנועת ראש פסיבית” שתוכננה בהתאמה אישית, המשחזרת תאוצות מכניות בראשי מכרסמים הנוצרים במהלך ריצת ההליכון שלהם במהירויות מתונות. הוא מאפשר לנתח גורמים/אלמנטים מכניים מההשפעות החיוביות של פעילות גופנית.
Abstract
פעילות גופנית מוכרת באופן נרחב כיעילה עבור מחלות שונות והפרעות פיזיות, כולל אלה הקשורות לתפקוד לקוי של המוח. עם זאת, מנגנונים מולקולריים מאחורי ההשפעות החיוביות של פעילות גופנית אינם מובנים היטב. אימונים גופניים רבים, במיוחד אלה המסווגים כתרגילים אירוביים כגון ריצה והליכה, מייצרים כוחות אימפולסיביים בזמן מגע כף הרגל עם הקרקע. לכן, הועלתה השערה כי השפעה מכנית עשויה להיות מעורבת באופן שבו פעילות גופנית תורמת להומאוסטזיס אורגניזמי. לצורך בדיקת השערה זו על המוח, פותחה מערכת “תנועת ראש פסיבית” (להלן PHM) שתוכננה במיוחד ויכולה ליצור תאוצות אנכיות עם גדלים ומצבים מבוקרים ומוגדרים ולשחזר גירוי מכני שעשוי להיות מיושם על ראשי מכרסמים במהלך ריצת הליכון במהירויות מתונות, התערבות אופיינית לבדיקת ההשפעות של פעילות גופנית בבעלי חיים. על ידי שימוש במערכת זו, הוכח כי PHM משחזר את תת-סוג הקולטן סרוטונין (5-הידרוקסיטריפטמין, להלן 5-HT) תת-סוג 2A (5-HT2A) בתאי העצב בקליפת המוח הקדם-מצחית (PFC) של עכברים. עבודה זו מספקת פרוטוקולים מפורטים ליישום PHM ולמדידת התאוצות המכניות המתקבלות על ראשי מכרסמים.
Introduction
פעילות גופנית מועילה לטיפול או מניעה של מספר הפרעות פיזיות, כולל מחלות אורח חיים כגון סוכרת ויתר לחץ דם חיוני1. בהקשר זה, הצטברו גם ראיות לגבי ההשפעות החיוביות של פעילות גופנית על תפקודי המוח2. עם זאת, המנגנונים המולקולריים העומדים בבסיס היתרונות של פעילות גופנית למוח עדיין אינם מובנים מאליהם. רוב הפעילויות הגופניות והאימונים מייצרים תאוצות מכניות בראש, לפחות במידה מסוימת. בעוד שתופעות פיזיולוגיות שונות מוסדרות באופן מכני, חשיבות ההעמסה המכנית תועדה ברוב המקרים במערכת השלד והשרירים 3,4,5. למרות שהמוח נתון גם לכוחות מכניים במהלך פעילות גופנית, במיוחד מה שמכונה תרגילי השפעה, ויסות מכני של תפקוד המוח הפיזיולוגי נחקר רק לעתים רחוקות. מאחר שיצירת תאוצות מכניות בראש שכיחה יחסית לאימונים גופניים, הועלתה השערה כי ויסות מכני עשוי להיות מעורב ביתרונות של פעילות גופנית לתפקודי המוח.
איתות קולטן5-HT 2A חיוני לוויסות רגשות והתנהגויות בין אותות ביוכימיים שונים המתפקדים במערכת העצבים. הוא מעורב במספר מחלות פסיכיאטריות 6,7,8, שבהן פעילות גופנית הוכחה כיעילה מבחינה טיפולית. קולטן 5-HT2A הוא תת-סוג של קולטן 5-HT2 השייך למשפחת הסרוטונין והוא גם חבר במשפחת הקולטן המצומד לחלבון G (GPCR), שהאיתות שלו מווסת על ידי הפנמתו, תלוי ליגנד או-עצמאי 9. עוויתות ראש הן התנהגות אופיינית של מכרסמים, שכמותם (תדירות) מייצגת במפורש את עוצמת האיתות של קולטן5-HT 2A בתאי העצב הקדם-מצחיים שלהם (PFC)10,11. תוך ניצול הספציפיות הקפדנית של תגובה הזויה זו ל-5-HT מנוהל (תגובת ראש-עווית, להלן HTR; ראו סרט משלים 1), נבדקה ההשערה שהוזכרה לעיל על השלכות מכניות בהשפעות פעילות גופנית על תפקודי המוח. לפיכך, ניתחנו והשווינו את ה-HTR של עכברים הנתונים לפעילות גופנית מאולצת (ריצת הליכון) או להתערבות מכנית המחקה פעילות גופנית (PHM).
Protocol
Representative Results
Discussion
באמצעות מערכת יישומי PHM שפותחה, הראינו כי איתות 5-HT בתאי העצב שלהם ב-PFC מוסדר באופן מכני. בגלל המורכבות של השפעות פעילות גופנית, קשה לנתח במדויק את התוצאה של פעילות גופנית בהקשר של קידום בריאות. ההתמקדות היא בהיבטים מכניים כדי למנוע מעורבות או תרומה של אירועים מטבוליים שעלולים להתרחש עם או ל?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי קרן המחקר התוך-מוחית של משרד הבריאות, העבודה והרווחה היפני; מענקי סיוע למחקר מדעי מהאגודה היפנית לקידום המדע (KAKENHI 15H01820, 15H04966, 18H04088, 20K21778, 21H04866, 21K11330, 20K19367); תוכנית נתמכת MEXT עבור קרן המחקר האסטרטגי באוניברסיטאות פרטיות, 2015-2019 ממשרד החינוך, התרבות, הספורט, המדע והטכנולוגיה היפני (S1511017); קרן נאיטו למדע והנדסה. מחקר זה קיבל מימון גם מהברית למחקר והכשרה של שיקום רגנרטיבי (AR3T), הנתמכת על ידי המכון הלאומי לבריאות הילד והתפתחות האדם על שם יוניס קנדי שרייבר (NICHD), המכון הלאומי להפרעות נוירולוגיות ושבץ מוחי (NINDS), והמכון הלאומי לדימות ביו-רפואי וביו-הנדסה (NIBIB) של המכונים הלאומיים לבריאות תחת פרס מספר P2CHD086843.
Materials
| 5-hydroxytryptophan (5-HTP) | Sigma-Aldrich | H9772 | Serotonin (5-HT) precursor |
| Brushless motor driver | Oriental motor | BMUD30-A2 | Speed changer build-in motor driver |
| C57BL/6 mice | Oriental yeast company | C57BL/6J | Mice used in this study |
| Cryostat | Leica | CM33050S | Microtome to cut frozen samples |
| DC Motor | Oriental motor | BLM230-GFV2 | Motor |
| Donkey anti-goat Alexa Fluor 568 | Invitrogen | A-11057 | Secondary antibody used for immunohistochemical staining |
| Donkey anti-mouse Alexa Fluor 647 | Invitrogen | A-31571 | Secondary antibody used for immunohistochemical staining |
| Donkey anti-rabbit Alexa Fluor 488 | Invitrogen | A-21206 | Secondary antibody used for immunohistochemical staining |
| Donkey serum | Sigma-Aldrich | S30-100ML | Blocker of non-specific binding of antibodies in immunohistochemical staining |
| Fluorescence microscope | Keyence | BZ-9000 | Fluorescence microscope |
| Goat polyclonal anti-5-HT2A receptor | Santa Cruz Biotechnology | sc-15073 | Primary antibody used for immunohistochemical staining |
| Isoflurane | Pfizer | v002139 | Inhalation anesthetic |
| KimWipe | NIPPON PAPER CRECIA | S-200 | Paper cloth for cleaning surfaces, parts, instruments in labratory |
| Liquid Blocker | Daido Sangyo | PAP-S | Marker used to make the slide surface water-repellent |
| Mouse monoclonal anti-NeuN (clone A60) | EMD Millipore (Merck) | MAB377 | Primary antibody used for immunohistochemical staining |
| NinjaScan-Light | Switchscience | SSCI-023641 | Accelerometer to measure accelerations |
| OCT compound | Sakura Finetek | 45833 | Embedding agent for preparing frozen tissue sections |
| ProLong Gold Antifade Mountant | Invitrogen | P36934 | Mounting medium to prevent flourscence fading |
| Rabbit polyclonal anti-c-Fos | Santa Cruz Biotechnology | sc-52 | Primary antibody used for immunohistochemical staining |
| Slide box | AS ONE | 03-448-1 | Opaque box to store slides |
| Spike2 | Cambridge electronic design limited (CED) | N/A | Application software used to analyze acceleration |
| Sprague-Dawley rats | Japan SLC | Slc:SD | Rats used in this study |
| Treadmill machine | Muromachi | MK-680 | System used in experiments of forced running of rats and mice |
References
- Lackland, D. T., Voeks, J. H. Metabolic syndrome and hypertension: regular exercise as part of lifestyle management. Current Hypertension Reports. 16 (11), 1-7 (2014).
- Heyn, P., Abreu, B. C., Ottenbacher, K. J. The effects of exercise training on elderly persons with cognitive impairment and dementia: a meta-analysis. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 85 (10), 1694-1704 (2004).
- Saitou, K., et al. Local cyclical compression modulates macrophage function in situ and alleviates immobilization-induced muscle atrophy. Clinical Science. 132 (19), 2147-2161 (2018).
- Sakitani, N., et al. Application of consistent massage-like perturbations on mouse calves and monitoring the resulting intramuscular pressure changes. Journal of Visualized Experiments. (151), e59475 (2019).
- Miyazaki, T., et al. Mechanical regulation of bone homeostasis through p130Cas-mediated alleviation of NF-κB activity. Scientific Advances. 5 (9), (2019).
- Berger, M., Gray, J. A., Roth, B. L. The expanded biology of serotonin. Annual Review of Medicine. 60 (1), 355-366 (2009).
- Canli, T., Lesch, K. -. P. Long story short: the serotonin transporter in emotion regulation and social cognition. Nature Neuroscience. 10 (9), 1103-1109 (2007).
- Roth, B., Hanizavareh, S. M., Blum, A. Serotonin receptors represent highly favorable molecular targets for cognitive enhancement in schizophrenia and other disorders. Psychopharmacology. 174 (1), 17-24 (2003).
- Bhattacharyya, S., Puri, S., Miledi, R., Panicker, M. M. Internalization and recycling of 5-HT2A receptors activated by serotonin and protein kinase C-mediated mechanisms. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 99 (22), 14470-14475 (2002).
- Canal, C. E., Morgan, D. Head-twitch response in rodents induced by the hallucinogen 2,5-dimethoxy-4-iodoamphetamine: a comprehensive history, a re-evaluation of mechanisms, and its utility as a model. Drug Testing and Analysis. 4 (7-8), 556-576 (2012).
- Halberstadt, A. L., Geyer, M. A. Characterization of the head-twitch response induced by hallucinogens in mice: detection of the behavior based on the dynamics of head movement. Psychopharmacology (Berl). 227 (4), 727-739 (2013).
- Kim, S. -. E., et al. Treadmill exercise prevents aging-induced failure of memory through an increase in neurogenesis and suppression of apoptosis in rat hippocampus. Experimental Gerontology. 45 (5), 357-365 (2010).
- Li, H., et al. Regular treadmill running improves spatial learning and memory performance in young mice through increased hippocampal neurogenesis and decreased stress. Brain Research. 1531, 1-8 (2013).
- González-Maeso, J., et al. Hallucinogens recruit specific cortical 5-HT2A receptor-mediated signaling pathways to affect behavior. Neuron. 53 (3), 439-452 (2007).
- Ryu, Y., et al. Mechanical regulation underlies effects of exercise on serotonin-induced signaling in the prefrontal cortex neurons. iScience. 23 (2), 100874 (2020).
- Shefer, G., Rauner, G., Stuelsatz, P., Benayahu, D., Yablonka-Reuveni, Z. Moderate-intensity treadmill running promotes expansion of the satellite cell pool in young and old mice. FEBS Journal. 280 (17), 4063-4073 (2013).
- Wang, J., et al. Moderate exercise has beneficial effects on mouse ischemic stroke by enhancing the functions of circulating endothelial progenitor cell-derived exosomes. Experimental Neurology. 330, 113325 (2020).
- Pacák, K. Stressor-specific activation of the hypothalamic-pituitary-adrenocortical axis. Physiological Research. 49, 11-17 (2000).
- Okamoto, M., Soya, H. Mild exercise model for enhancement of hippocampal neurogenesis: A possible candidate for promotion of neurogenesis. The Journal of Physical Fitness and Sports Medicine. 1 (4), 585-594 (2012).
