Применение пассивного движения головы для генерации определенных ускорений на головах грызунов
Summary
Настоящий протокол описывает специально разработанную систему «пассивного движения головы», которая воспроизводит механические ускорения на головах грызунов, генерируемые во время беговой дорожки с умеренными скоростями. Это позволяет препарировать механические факторы / элементы от благотворного воздействия физических упражнений.
Abstract
Физические упражнения широко признаны эффективными при различных заболеваниях и физических расстройствах, в том числе связанных с дисфункцией головного мозга. Однако молекулярные механизмы, лежащие в основе благотворного воздействия физических упражнений, плохо изучены. Многие физические тренировки, особенно те, которые классифицируются как аэробные упражнения, такие как бег трусцой и ходьба, производят импульсивные силы во время контакта ног с землей. Поэтому было высказано предположение, что механическое воздействие может быть связано с тем, как физические упражнения способствуют гомеостазу организма. Для проверки этой гипотезы на мозге была разработана специально разработанная система «пассивного движения головы» (далее именуемая PHM), которая может генерировать вертикальные ускорения с контролируемыми и определенными величинами и режимами и воспроизводить механическую стимуляцию, которая может быть применена к головам грызунов во время беговой дорожки с умеренными скоростями, типичное вмешательство для проверки эффектов упражнений на животных. Используя эту систему, было продемонстрировано, что PHM рекапитулирует серотониновый (5-гидрокситриптамин, далее называемый 5-HT) рецептор подтипа 2A (5-HT2A), сигнализирующий в нейронах префронтальной коры (PFC) мышей. Эта работа предоставляет подробные протоколы для применения PHM и измерения его результирующих механических ускорений на головах грызунов.
Introduction
Физические упражнения полезны для лечения или профилактики нескольких физических расстройств, включая заболевания образа жизни, такие как сахарный диабет и эссенциальная гипертензия1. В связи с этим также были накоплены данные о положительном влиянии физических упражнений на функции мозга2. Тем не менее, молекулярные механизмы, лежащие в основе преимуществ физических упражнений для мозга, остаются в основном неочевидными. Большинство физических нагрузок и тренировок генерируют механические ускорения в голове, по крайней мере, в некоторой степени. В то время как различные физиологические явления механически регулируются, важность механической нагрузки в большинстве случаев была задокументирована в костно-мышечной системе 3,4,5. Хотя мозг также подвергается механическим силам во время физических нагрузок, особенно так называемых ударных упражнений, механическая регуляция физиологической функции мозга редко изучается. Поскольку генерация механических ускорений в голове относительно распространена для физических тренировок, было высказано предположение, что механическая регуляция может быть связана с преимуществами упражнений для функций мозга.
Передача сигналов рецептора 5-HT2A необходима для регулирования эмоций и поведения среди различных биохимических сигналов, которые функционируют в нервной системе. Он участвует в множественных психиатрических заболеваниях 6,7,8, при которых физические упражнения доказали свою терапевтическую эффективность. Рецептор 5-HT2A представляет собой подтип рецептора 5-HT2, который принадлежит к семейству серотонинов, а также является членом семейства рецепторов, связанных с G-белком (GPCR), передача сигналов которого модулируется его интернализацией, либо лиганд-зависимой, либо -независимой9. Подергивание головы является характерным поведением грызунов, количество (частота) которого явно представляет интенсивность передачи сигналов рецептора 5-HT2A в их нейронах префронтальной коры (ПФК)10,11. Используя строгую специфику этой галлюциногенной реакции на введенный 5-HT (ответ на подергивание головы, далее называемый HTR; см. Дополнительный фильм 1), была проверена упомянутая выше гипотеза о механических последствиях воздействия упражнений на функции мозга. Таким образом, мы проанализировали и сравнили HTR мышей, подвергшихся либо принудительному упражнению (бег на беговой дорожке), либо механическому вмешательству, имитирующему упражнения (PHM).
Protocol
Representative Results
Discussion
Используя разработанную систему применения PHM, мы показали, что передача сигналов 5-HT в их нейронах PFC механически регулируется. Из-за сложности воздействия физических упражнений было трудно точно проанализировать последствия физических упражнений в контексте укрепления здоровья. Осн…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была частично поддержана Фондом внутренних исследований министерства здравоохранения, труда и социального обеспечения Японии; Гранты на научные исследования от Японского общества содействия развитию науки (KAKENHI 15H01820, 15H04966, 18H04088, 20K21778, 21H04866, 21K11330, 20K19367); Поддерживаемая MEXT программа для Фонда стратегических исследований в частных университетах, 2015-2019 от Министерства образования, культуры, спорта, науки и техники Японии (S1511017); Научно-технический фонд Наито. Это исследование также получило финансирование от Альянса по исследованиям и обучению регенеративной реабилитации (AR3T), который поддерживается Национальным институтом детского здоровья и развития человека имени Юнис Кеннеди Шрайвер (NICHD), Национальным институтом неврологических расстройств и инсульта (NINDS) и Национальным институтом биомедицинской визуализации и биоинженерии (NIBIB) Национальных институтов здравоохранения под номером награды 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).
