Application du mouvement passif de la tête pour générer des accélérations définies à la tête des rongeurs
Summary
Le présent protocole décrit un système de « mouvement passif de la tête » conçu sur mesure, qui reproduit les accélérations mécaniques à la tête des rongeurs générées pendant leur course sur tapis roulant à des vitesses modérées. Il permet de disséquer les facteurs/éléments mécaniques des effets bénéfiques de l’exercice physique.
Abstract
L’exercice est largement reconnu comme efficace pour diverses maladies et troubles physiques, y compris ceux liés au dysfonctionnement cérébral. Cependant, les mécanismes moléculaires derrière les effets bénéfiques de l’exercice sont mal compris. De nombreux entraînements physiques, en particulier ceux classés comme exercices aérobiques tels que le jogging et la marche, produisent des forces impulsives au moment du contact du pied avec le sol. Par conséquent, il a été spéculé que l’impact mécanique pourrait être impliqué dans la façon dont l’exercice contribue à l’homéostasie de l’organisme. Pour tester cette hypothèse sur le cerveau, un système de « mouvement passif de la tête » (ci-après appelé PHM) conçu sur mesure a été développé qui peut générer des accélérations verticales avec des magnitudes et des modes contrôlés et définis et reproduire la stimulation mécanique qui pourrait être appliquée à la tête des rongeurs pendant le tapis roulant à des vitesses modérées, une intervention typique pour tester les effets de l’exercice chez les animaux. En utilisant ce système, il a été démontré que le PHM récapitule la signalisation du récepteur de la sérotonine (5-hydroxytryptamine, ci-après appelée 5-HT) du récepteur 2A (5-HT2A) dans les neurones du cortex préfrontal (PFC) de souris. Ce travail fournit des protocoles détaillés pour l’application du MPS et la mesure des accélérations mécaniques qui en résultent à la tête des rongeurs.
Introduction
L’exercice est bénéfique pour traiter ou prévenir plusieurs troubles physiques, y compris les maladies liées au mode de vie telles que le diabète sucré et l’hypertension essentielle1. Dans le même ordre d’idées, des preuves ont également été accumulées concernant les effets positifs de l’exercice sur les fonctions cérébrales2. Cependant, les mécanismes moléculaires sous-jacents aux avantages de l’exercice pour le cerveau restent principalement non élucidés. La plupart des activités physiques et des entraînements génèrent des accélérations mécaniques à la tête, du moins dans une certaine mesure. Alors que divers phénomènes physiologiques sont régulés mécaniquement, l’importance de la charge mécanique a, dans la plupart des cas, été documentée dans le système musculo-squelettique 3,4,5. Bien que le cerveau soit également soumis à des forces mécaniques lors d’activités physiques, en particulier des exercices dits impactants, la régulation mécanique du fonctionnement physiologique du cerveau a rarement été étudiée. Parce que la génération d’accélérations mécaniques à la tête est relativement commune aux entraînements physiques, il a été spéculé que la régulation mécanique pourrait être impliquée dans les avantages de l’exercice pour les fonctions cérébrales.
La signalisation du récepteur 5-HT2A est essentielle pour réguler les émotions et les comportements parmi divers signaux biochimiques qui fonctionnent dans le système nerveux. Il est impliqué dans de multiples maladies psychiatriques 6,7,8, sur lesquelles l’exercice s’est avéré thérapeutiquement efficace. Le récepteur 5-HT2A est un sous-type du récepteur 5-HT2 qui appartient à la famille des sérotonines et est également un membre de la famille des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG), dont la signalisation est modulée par son internalisation, dépendante du ligand ouindépendante 9. Les contractions de la tête sont un comportement caractéristique des rongeurs, dont la quantité (fréquence) représente explicitement l’intensité de la signalisation du récepteur 5-HT2A dans leurs neurones du cortex préfrontal (PFC)10,11. Profitant de la spécificité stricte de cette réponse hallucinogène au 5-HT administré (réponse à contraction de la tête, ci-après appelée HTR; voir le film supplémentaire 1), l’hypothèse mentionnée ci-dessus sur les implications mécaniques des effets de l’exercice sur les fonctions cérébrales a été testée. Ainsi, nous avons analysé et comparé le HTR de souris soumises à un exercice forcé (course sur tapis roulant) ou à une intervention mécanique imitant l’exercice (PHM).
Protocol
Representative Results
Discussion
En utilisant le système d’application PHM développé, nous avons montré que la signalisation 5-HT dans leurs neurones PFC est régulée mécaniquement. En raison de la complexité des effets de l’exercice, il a été difficile de disséquer avec précision les conséquences de l’exercice dans le contexte de la promotion de la santé. L’accent est mis sur les aspects mécaniques pour empêcher l’implication ou la contribution d’événements métaboliques qui peuvent survenir avec ou après des activités d?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été financé en partie par le Fonds de recherche intra-muros du Ministère japonais de la santé, du travail et du bien-être; Subventions pour la recherche scientifique de la Société japonaise pour la promotion de la science (KAKENHI 15H01820, 15H04966, 18H04088, 20K21778, 21H04866, 21K11330, 20K19367); Programme soutenu par le MEXT pour la Fondation de recherche stratégique dans les universités privées, 2015-2019 du ministère japonais de l’Éducation, de la Culture, des Sports, de la Science et de la Technologie (S1511017); la Naito Science & Engineering Foundation. Cette recherche a également reçu un financement de l’Alliance for Regenerative Rehabilitation Research & Training (AR3T), qui est soutenue par l’Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development (NICHD), le National Institute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS) et le National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB) des National Institutes of Health sous le numéro d’attribution 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 |
Referências
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