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.
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.
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).
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…
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |