Påføring av passiv hodebevegelse for å generere definerte akselerasjoner ved gnagernes hoder
Summary
Den nåværende protokollen beskriver et spesialdesignet ” passivt hodebevegelse ” system, som gjengir mekaniske akselerasjoner ved gnagere ‘hoder generert under tredemøllen som kjører med moderate hastigheter. Det gjør det mulig å dissekere mekaniske faktorer / elementer fra de gunstige effektene av fysisk trening.
Abstract
Trening er allment anerkjent som effektiv for ulike sykdommer og fysiske lidelser, inkludert de som er relatert til hjernedysfunksjon. Imidlertid er molekylære mekanismer bak de gunstige effektene av trening dårlig forstått. Mange fysiske treningsøkter, spesielt de som er klassifisert som aerobe øvelser som jogging og turgåing, produserer impulsive krefter på tidspunktet for fotkontakt med bakken. Derfor ble det spekulert i at mekanisk påvirkning kan være involvert i hvordan trening bidrar til organismehomeostase. For å teste denne hypotesen på hjernen, ble det utviklet et spesialdesignet ” passiv hodebevegelse ” (heretter referert til som PHM) -system som kan generere vertikale akselerasjoner med kontrollerte og definerte størrelser og moduser og reprodusere mekanisk stimulering som kan påføres gnagernes hoder under tredemøllekjøring med moderate hastigheter, en typisk intervensjon for å teste effekten av trening hos dyr. Ved å bruke dette systemet ble det vist at PHM rekapitulerer serotonin (5-hydroksytryptamin, heretter kalt 5-HT) reseptor subtype 2A (5-HT2A) signalering i prefrontal cortex (PFC) nevroner av mus. Dette arbeidet gir detaljerte protokoller for bruk av PHM og måling av resulterende mekaniske akselerasjoner ved gnagerehoder.
Introduction
Trening er gunstig for å behandle eller forebygge flere fysiske lidelser, inkludert livsstilssykdommer som diabetes mellitus og essensiell hypertensjon1. Relatert til dette har det også blitt samlet bevis på de positive effektene av trening på hjernefunksjoner2. Imidlertid forblir molekylære mekanismer som ligger til grunn for fordelene med trening for hjernen primært uklargjort. De fleste fysiske aktiviteter og treningsøkter genererer mekaniske akselerasjoner i hodet, i hvert fall til en viss grad. Mens ulike fysiologiske fenomener er mekanisk regulert, er betydningen av mekanisk belastning i de fleste tilfeller dokumenterti muskel- og skjelettsystemet 3,4,5. Selv om hjernen også utsettes for mekaniske krefter under fysiske aktiviteter, spesielt såkalte påvirkningsøvelser, har mekanisk regulering av fysiologisk hjernefunksjon sjelden blitt studert. Fordi genereringen av mekaniske akselerasjoner i hodet er relativt vanlig for fysiske treningsøkter, har det blitt spekulert i at mekanisk regulering kan være involvert i fordelene med trening til hjernefunksjoner.
5-HT2A-reseptorsignalering er viktig for å regulere følelser og atferd blant ulike biokjemiske signaler som fungerer i nervesystemet. Det er involvert i flere psykiatriske sykdommer 6,7,8, hvor trening har vist seg å være terapeutisk effektiv. 5-HT2A-reseptor er en subtype av 5-HT2-reseptor som tilhører serotoninfamilien og er også medlem av G-proteinkoblet reseptor (GPCR) -familien, hvis signalering moduleres ved internalisering, enten ligandavhengig eller -uavhengig9. Hoderykninger er en karakteristisk oppførsel av gnagere, hvor mengden (frekvensen) eksplisitt representerer intensiteten av 5-HT2A-reseptorsignalering i deres prefrontale cortex (PFC) nevroner10,11. Ved å dra nytte av den strenge spesifisiteten til denne hallusinogene responsen på administrert 5-HT (head-twitch-respons, heretter kalt HTR; se Supplementary Movie 1), ble hypotesen nevnt ovenfor om mekaniske implikasjoner i treningseffekter på hjernefunksjoner testet. Dermed analyserte og sammenlignet vi HTR hos mus utsatt for enten tvungen trening (tredemølleløping) eller treningslignende mekanisk inngrep (PHM).
Protocol
Representative Results
Discussion
Ved hjelp av det utviklede PHM-applikasjonssystemet har vi vist at 5-HT-signalering i deres PFC-nevroner er mekanisk regulert. På grunn av kompleksiteten i treningseffekter har det vært vanskelig å nøyaktig dissekere konsekvensen av trening i sammenheng med helsefremmende arbeid. Fokuset er på mekaniske aspekter for å utelukke involvering eller bidrag av metabolske hendelser som kan oppstå med eller senere til treningsaktiviteter, for eksempel energiforbruk. Metoden beskrevet her forventes å være mer bredt nytti…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble delvis støttet av Intramural Research Fund fra det japanske departementet for helse, arbeid og velferd; Grants-in-Aid for Scientific Research fra Japan Society for the Promotion of Science (KAKENHI 15H01820, 15H04966, 18H04088, 20K21778, 21H04866, 21K11330, 20K19367); MEXT-støttet program for strategisk forskningsstiftelse ved private universiteter, 2015-2019 fra det japanske departementet for utdanning, kultur, sport, vitenskap og teknologi (S1511017); Naito Science & Engineering Foundation. Denne forskningen mottok også finansiering fra Alliance for Regenerative Rehabilitation Research & Training (AR3T), som støttes av Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development (NICHD), National Institute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS), og National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB) fra National Institutes of Health under prisnummer 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).
