تطبيق حركة الرأس السلبية لتوليد تسارع محدد عند رؤوس القوارض
Summary
يصف البروتوكول الحالي نظام “حركة الرأس السلبية” المصمم خصيصا ، والذي يعيد إنتاج التسارع الميكانيكي عند رؤوس القوارض المتولدة أثناء تشغيل جهاز المشي بسرعات معتدلة. يسمح بتشريح العوامل / العناصر الميكانيكية من الآثار المفيدة لممارسة الرياضة البدنية.
Abstract
من المسلم به على نطاق واسع أن التمرين فعال لمختلف الأمراض والاضطرابات الجسدية ، بما في ذلك تلك المتعلقة بضعف الدماغ. ومع ذلك ، فإن الآليات الجزيئية وراء الآثار المفيدة للتمرين غير مفهومة بشكل جيد. العديد من التدريبات البدنية ، وخاصة تلك المصنفة على أنها تمارين هوائية مثل الركض والمشي ، تنتج قوى اندفاعية في وقت ملامسة القدم للأرض. لذلك ، تم التكهن بأن التأثير الميكانيكي قد يكون متورطا في كيفية مساهمة التمرين في التوازن العضوي. لاختبار هذه الفرضية على الدماغ ، تم تطوير نظام “حركة الرأس السلبية” المصمم خصيصا (المشار إليه فيما يلي باسم PHM) والذي يمكنه توليد تسارع رأسي بمقادير وأنماط محددة ومحددة وإعادة إنتاج التحفيز الميكانيكي الذي يمكن تطبيقه على رؤوس القوارض أثناء تشغيل جهاز المشي بسرعات معتدلة ، وهو تدخل نموذجي لاختبار آثار التمرين في الحيوانات. باستخدام هذا النظام ، ثبت أن PHM يلخص النوع الفرعي لمستقبلات السيروتونين (5-هيدروكسي تريبتامين ، المشار إليه فيما يلي باسم 5-HT) من النوع الفرعي 2A (5-HT2A) في الخلايا العصبية لقشرة الفص الجبهي (PFC) للفئران. يوفر هذا العمل بروتوكولات مفصلة لتطبيق PHM وقياس التسارع الميكانيكي الناتج عند رؤوس القوارض.
Introduction
التمرين مفيد لعلاج أو منع العديد من الاضطرابات الجسدية ، بما في ذلك أمراض نمط الحياة مثل داء السكري وارتفاع ضغط الدم الأساسي1. فيما يتعلق بهذا ، تم أيضا تجميع الأدلة فيما يتعلق بالآثار الإيجابية للتمرين على وظائف الدماغ2. ومع ذلك ، فإن الآليات الجزيئية الكامنة وراء فوائد التمرين للدماغ لا تزال غير واضحة في المقام الأول. تولد معظم الأنشطة البدنية والتدريبات تسارعا ميكانيكيا في الرأس ، على الأقل إلى حد ما. في حين يتم تنظيم الظواهر الفسيولوجية المختلفة ميكانيكيا ، فقد تم توثيق أهمية التحميل الميكانيكي ، في معظم الحالات ، في الجهاز العضلي الهيكلي3،4،5. على الرغم من أن الدماغ يتعرض أيضا لقوى ميكانيكية أثناء الأنشطة البدنية ، وخاصة ما يسمى بتمارين التأثير ، إلا أنه نادرا ما تمت دراسة التنظيم الميكانيكي لوظائف الدماغ الفسيولوجية. نظرا لأن توليد التسارع الميكانيكي في الرأس شائع نسبيا في التدريبات البدنية ، فقد تم التكهن بأن التنظيم الميكانيكي قد يكون متورطا في فوائد التمرين لوظائف الدماغ.
إشارات مستقبلات 5-HT2A ضرورية في تنظيم العواطف والسلوكيات بين الإشارات الكيميائية الحيوية المختلفة التي تعمل في الجهاز العصبي. وتشارك في العديد من الأمراض النفسية6،7،8 ، والتي ثبت أن التمارين الرياضية فعالة علاجيا. مستقبلات 5-HT2A هي نوع فرعي من مستقبلات 5-HT2 التي تنتمي إلى عائلة السيروتونين وهي أيضا عضو في عائلة مستقبلات البروتين G (GPCR) ، والتي يتم تعديل إشاراتها من خلال استيعابها ، إما تعتمد على الليجند أو مستقلة9. ارتعاش الرأس هو سلوك مميز للقوارض ، حيث تمثل الكمية (التردد) صراحة شدة إشارات مستقبلات 5-HT2A في الخلايا العصبية لقشرة الفص الجبهي (PFC)10,11. بالاستفادة من الخصوصية الصارمة لهذه الاستجابة المهلوسة ل 5-HT (استجابة ارتعاش الرأس ، المشار إليها فيما يلي باسم HTR ؛ انظر الفيلم التكميلي 1) ، تم اختبار الفرضية المذكورة أعلاه حول الآثار الميكانيكية في تأثيرات التمرين على وظائف الدماغ. وهكذا ، قمنا بتحليل ومقارنة HTR للفئران التي تعرضت إما للتمرين القسري (تشغيل جهاز المشي) أو التدخل الميكانيكي الذي يحاكي التمرين (PHM).
Protocol
Representative Results
Discussion
باستخدام نظام تطبيق PHM المطور ، أظهرنا أن إشارات 5-HT في الخلايا العصبية PFC الخاصة بهم منظمة ميكانيكيا. بسبب تعقيد آثار التمرين ، كان من الصعب تشريح عواقب التمرين بدقة في سياق تعزيز الصحة. ينصب التركيز على الجوانب الميكانيكية لمنع مشاركة أو مساهمة الأحداث الأيضية التي قد تحدث مع أو بعد ممارس?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وحظي هذا العمل جزئيا بدعم من صندوق البحوث الداخلية التابع لوزارة الصحة والعمل والرعاية الاجتماعية اليابانية؛ منح معونة للبحث العلمي من الجمعية اليابانية لتعزيز العلوم (KAKENHI 15H01820, 15H04966, 18H04088, 20K21778, 21H04866, 21K11330, 20K19367); برنامج مدعوم من MEXT لمؤسسة البحوث الاستراتيجية في الجامعات الخاصة ، 2015-2019 من وزارة التعليم والثقافة والرياضة والعلوم والتكنولوجيا اليابانية (S1511017) ؛ مؤسسة نايتو للعلوم والهندسة. تلقى هذا البحث أيضا تمويلا من التحالف من أجل أبحاث وتدريب إعادة التأهيل التجديدي (AR3T) ، والذي يدعمه معهد يونيس كينيدي شرايفر الوطني لصحة الطفل والتنمية البشرية (NICHD) ، والمعهد الوطني للاضطرابات العصبية والسكتة الدماغية (NINDS) ، والمعهد الوطني للتصوير الطبي الحيوي والهندسة الحيوية (NIBIB) التابع للمعاهد الوطنية للصحة تحت رقم الجائزة 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).
