海馬神経生理学と空間記憶における日内変動と性差の検討その1
Dec 06, 2023
抽象的な
概日リズムは、24 時間周期で循環する生物学的プロセスであり、学習や記憶などの神経生理学の多くの側面を制御します。 空間記憶タスクのパフォーマンスの日内変動については十分に文書化されています。 ただし、概日時間 (CT) を超えた性別の影響は依然として不明です。
神経生理学は、神経系の構造、機能、病理学の研究です。 記憶とは、記憶情報を保存、再現、利用する個人の能力を指します。 神経生理学と記憶の間には切っても切れない関係があります。
神経生理学では、神経系の不可欠な部分であるシナプスと呼ばれる構造があります。 シナプスはニューロン間で情報が伝達される場所であり、記憶はシナプスに基づいています。 ニューロンが情報を受け取ると、シナプスを介して他のニューロンと通信し、情報を送信します。 これらの接触の強化または弱化は、記憶の形成と変化の基礎を形成します。
記憶は、人間の脳内の異なるニューロン間の複数の交換と計算の結果にすぎません。 体内のニューロンの数は固定されており、つまり、私たちの記憶容量は固定されています。 したがって、記憶力を向上させることは、ニューロン間の接続の強度、およびシナプス間の接続の数と質を向上させることを意味し、これには神経生理学についてのさらなる知識が必要です。
したがって、神経生理学的研究は個人の記憶力を向上させるのに非常に有益です。 神経生理学について学ぶことは、人間の脳がどのように機能するかをより深く理解するのに役立ち、運動やトレーニングを通じて記憶力を向上させることができます。 いくつかの方法には、より多くの本を読み、より多く考えることでニューロン間の接続を強化したり、さまざまな頭の体操を実行してシナプスの量と質を改善したりすることが含まれます。
つまり、神経生理学的研究は、人間の脳と記憶の関係をより深く理解するのに役立つだけでなく、個人の記憶を改善するためのさまざまな方法や技術を提供することもできます。 したがって、記憶のためにより良い環境を作り出すために、神経生理学に関する関連知識を積極的に学ぶ必要があります。 記憶力を向上させる必要があることがわかります。 カンクイは記憶力を大幅に向上させることができます。カンクンは多くのユニークな効果を持つ伝統的な漢方薬の素材であり、そのうちの 1 つは記憶力の向上です。 ひき肉の効能は、酸、多糖類、フラボノイドなどを含む、ひき肉に含まれるさまざまな有効成分によってもたらされます。これらの成分は、さまざまな方法で脳の健康を促進します。
さらに、海馬の神経生理機能に対する時刻の影響についてはほとんど知られていません。 ここでは、マウスの海馬神経生理学と記憶に対する性別と時刻の両方の影響を調査しました。 物体位置記憶（OLM）タスクのパフォーマンスは概日時間と性別の両方に依存し、男性では夜間に記憶力が向上しましたが、女性では日中に記憶力が向上しました。 CA3-CA1シナプスにおける長期シナプス増強（LTP）の大きさは、男女ともに昼間と比べて夜間の方が大きかった。
次に、CA1錐体ニューロンに対する自発的なシナプス興奮と抑制を測定しました。 抑制の頻度と振幅は、性別に関係なく、夜間と比較して日中の方が大きかった。 時間帯と性別の両方がシナプス前解放の確率に影響を及ぼしたが、興奮の頻度と振幅は、男性に比べて女性の方が大きかった。
夜間、CA1錐体ニューロンは、性別に関係なく、シナプスの興奮と抑制に依存する興奮性（活動電位発火および/またはベースライン電位）の増強を示しました。 この研究は、特に海馬に影響を与える多くの神経障害が概日リズムの乱れに関連しており、男性と女性では症状が異なることを考慮すると、海馬生理学における性別と時刻の重要性を強調しています。 性別と概日リズムが海馬の生理機能にどのような影響を与えるかについての知識は、治療法の翻訳的関連性を向上させ、既存の治療法の適切なタイミングを知らせることができます。
キーワード:
概日性; 海馬。 メモリ; 可塑性; リズム。 シナプス。
重要性の声明
概日リズムは、認知を含む神経生理学の多くの側面を調節します。 しかし、時間帯と性別が海馬の神経生理学と海馬依存性の記憶に及ぼす影響は、ほとんど解明されていないままである。
今回我々は、物体位置記憶（OLM）の概日調節が性別に依存していることを報告する。 さらに、男女の時間帯にわたる海馬の生理機能の検査により、夜間の長期シナプス増強の亢進、CA1錐体ニューロンへの日中の抑制性シナプス伝達の増加、CA1への興奮性シナプス伝達に対する男女と時間帯の影響が明らかになった。錐体ニューロン、およびシナプス入力と海馬前後軸に沿った位置の両方に依存する CA1 錐体ニューロンの夜間興奮性の強化。 これらの結果は、海馬の生理学の研究において、性別、地域の位置、時刻を考慮することの重要性を強調しています。
導入
海馬は脳の学習と記憶の座であり、その主な出力は領域 CA1 の主要な細胞 (つまり錐体ニューロン) によって生成されます。 CA1錐体ニューロンによる活動電位の発火は、他のニューロンと同様、興奮性および抑制性のシナプス駆動、興奮性を調節する固有の膜特性、および神経調節物質の複合機能である(Spruston、2008)。
海馬の比較的未解明な側面は、CA1錐体ニューロンの生理機能が時間帯によってどのように調節されるかということです。 細胞レベルでは、生物学的機能の時間帯による変動は、転写翻訳フィードバックループによって引き起こされます（Partch et al., 2014）。 体中の組織時計は、生理機能と行動における時間リズムのタイミングを駆動するシステムとして階層的に組織されており、生物が環境内で定期的に発生する出来事に適応し、予測できるようにしています(Pilorz et al., 2020; Buijs et al.、2021)。
生理学的プロセスの概日調節は有利であり、概日リズムの調節不全は疾患の発症と症状を促進および悪化させる可能性があります（Logan and McClung、2019; Colwell、2021）。 したがって、生理機能に対する概日影響を理解することは、神経変性疾患などの概日機能不全を伴う疾患に対する介入を設計するために重要です（Lee et al.、2021）。
さらに、海馬の生理学の基本原理に関する基礎知識の大部分は、夜行性のげっ歯類、主に雄の非活動期（日中）で行われた研究に基づいています。 科学界は生物医学研究における要素としての性別の重要性に取り組み始めていますが、時刻の重要性はまだ比較的過小評価されています。 この研究の最も重要な目標は、性別と時刻がどのように相互作用して海馬の生理機能と機能の日々の変化に影響を与えるかを明らかにし始めることでした。
視床下部の視交叉上核 (SCN) は、内因性概日ネットワークの主要なオーケストレーターであり、SCN ニューロンの電気的特性は時間帯によって変化します。
ニューロンの興奮性の概日制御は哺乳類の脳に広く普及しており（Paul et al., 2020）、げっ歯類（Snider et al., 2018）、ショウジョウバエ（Cao and Nitabach, 2008; Sheeba, 2008）、およびゼブラフィッシュ (Elbaz et al., 2013)。 SCNは主要な時計であるが、自律概日時計は海馬を含む他の脳領域にも存在する(Paul et al., 2020;Hartsock and Spencer, 2020)。 分子レベルでは、海馬の小領域はコア時計タンパク質をリズミカルに発現し、領域CA1の細胞体層はPER2の最も強い発現を有する(Jilg et al., 2010)。 さらに、イオンチャネルおよびシナプスタンパク質をコードする遺伝子を含む600を超える遺伝子が、海馬において概日発現を示す(Zhang et al., 2014; Renaud et al., 2015)。
細胞レベルでは、特定のパターンのシナプス刺激によりシナプス伝達の強さが持続的に増加する可塑性の一形態である長期増強（LTP）が、夜行性マウスでは昼間と比較して夜間により大きく発現されます（Chaudhury）ら、2005; Besing ら、2017; Davis ら、2020）。 認知機能は概日システムによっても調節されており(Wright et al., 2012)、海馬依存性記憶アッセイにおけるパフォーマンスの概日調節がいくつかの種にわたって実証されている(Snider et al., 2018)。
しかし、セックスが認知の概日調節にどのような影響を与えるかについての私たちの理解は限られています。さらに、時刻と性別がCA1錐体細胞へのシナプス駆動と膜特性をどのように調節するかについての詳細な理解など、細胞レベルでの証拠は不足しています。 ここでは、性別と時刻が行動レベルから個々の神経生理機能に至るまで、海馬回路をどのように変化させるかを解明しようとしました。
我々は、海馬依存性記憶の概日調節は性別に依存するが、海馬のLTPの昼夜の差は依存しないことを発見した。 また、シナプス伝達とニューロンの興奮性が時間帯に応じて変化することも発見し、これらの変化の一部は性別に依存することも明らかにしました。
材料と方法
動物
すべての動物手順は、米国公衆衛生局の実験動物の管理と使用に関するガイドに従い、アラバマ大学バーミンガム校の動物管理使用委員会によって承認されました。 すべての実験では、Jackson Laboratories (http://jaxmice.jax.org/strain/013636.html) または次の C57BL/6J コロニーから入手した、6- ～ 12- 週齢の雌雄 C57BL/6J マウスを使用しました。アラバマ大学バーミンガム校。
マウスを、食物（ＰｕｒｉｎａによるＬａｂＤｉｅｔ Ｒｏｄｅｎｔ ５００１）および水を自由に摂取させながら、１２／１２時間の明／暗サイクルで維持した。 行動実験のために、マウスを4匹の同性ケージにグループハウスしました。 他のすべての実験では、マウスを 1 ケージあたり 2 ～ 7 匹の同性ケージにグループ飼育しました。
オブジェクト位置メモリ (OLM)
物体位置記憶 (OLM) タスク (Snider et al., 2016) は、10 ルクスの薄暗い赤色光の下で実施されました。 マウスの４つのコホートを使用し、各コホートは８匹の雄と８匹の雌から構成された。 各コホート内で、マウスは日中または夜間に馴化、訓練、およびテストを受けるように割り当てられました。 コホート 1 と 3 では、男性は日中に検査され、女性は夜間に検査されました。 コホート 2 と 4 では、女性は日中に検査され、男性は夜間に検査されました。
マウスを12/12時間の明暗（LD）サイクルに同調させた後、昼と夜、ツァイトゲーバー時間（ZT）4またはZT 16（ZT 12は消灯を指す）のいずれかで2日間アリーナに慣らした。それぞれ（1〜2日目、図1A、B）。 2日目の後、マウスを一定の暗闇（DD）に放し、投影概日時間（CT）4または16（3〜4日目、CT 12は前のLDサイクルからの消灯の投影時間を指します。図1A、B）。 マウスは、馴化または訓練/試験の直前に毎日 20 分間行動室に順応させた。
慣れは、5 分間のハンドリングと、それに続く視覚的な手がかりを使用した 5 分間のアリーナ探索で構成されました。 視覚的な手がかりは、一方の壁の縦縞と、もう一方の壁の大きな赤い X で構成されていました。 アリーナは35.5×25.4cmで、壁の高さは20.3cmでした。 OLM のトレーニングとテストは、予想 CT 4 または CT 16 での慣れの最終日から 24 時間後の DD で行われました。オブジェクトは PRETEX ビルディング ブロック (アイテム番号 8030-100) で作成され、アリーナ内で 3 つの可能な位置があり、すべて少なくともすべてでした壁から8.9cm離してください。
訓練中、各マウスは 2 つの物体があるアリーナを 5 分間探索することができました。 その後、マウスをホームケージに 30 分間戻し、その間に最初の探索で得た物体の 1 つは新しい位置 (新しい位置) に移動し、もう 1 つは元の位置 (慣れ親しんだ位置) に残りました。 30- 分の想起期間は、以前に発表された方法 (Snider et al., 2016) に基づいて選択され、睡眠不足や一晩の睡眠期間による記憶力の増強による記憶障害を回避するために選択されました。
テスト段階では、各マウスを新しい見慣れた位置オブジェクトを備えたアリーナに戻し、5 分間探索させました。 すべての慣れ、トレーニング、テストは 30 FPS で記録されました (ELP カメラモデル:ELP-USBFHD05MT-KL36IR)。 探索は、DeepLabCut によって作成されたコンピューター モデルを使用して追跡されました。 次に、Mary Phillips が開発したカスタム MATLAB(MathWorks) スクリプト (https://github.com/PhillipsML/DLC-NovelObject#dlc-novel object) を使用してオブジェクトの相互作用を分析しました。データ分析には、いくつかの除外基準が適用されました。明確な側の好み、競技場から逃げようとする物体の探索にほとんどの時間を費やしたマウス、および訓練中に一方の物体を他方の物体よりも高い嗜好性を持つマウスは除外した。 識別指数は、(新規オブジェクトの位置の探索に費やした時間、よく知られたオブジェクトの位置の探索に費やした時間)/(新規オブジェクトの位置の探索に費やした時間 1、よく知られたオブジェクトの位置の探索に費やした時間)として計算されました。
電気生理学
スライスの準備
マウスは、昼と夜の実験でそれぞれZT {{0}}–1またはZT 11–12で頸椎脱臼と急速断頭により殺害されました。 性別と時刻の両方が交互に挿入されました。 細胞外フィールド実験では、脳を摘出し、VT1200 S ビブラトーム (Leica Biosystems) を使用して、以下 (mM) を含む氷冷溶液中で {{}} mm 冠状スライスを調製しました: 85 NaCl、2.5 KCl、4 MgSO4 * 7H2O 、0.5 CaCl2 * 2H2O、1.25 NaH2PO4、75 スクロース、25 NaHCO3、25 95% O2 および 5% CO2 で飽和したグルコース。 スライスを、以下（mM）を含む標準人工CSF（ACSF）の回収溶液中に少なくとも1時間放置した：119 NaCl、2.5 KCl、1.3 MgSO4 * 7H2O、2.5 CaCl2 * 2H2O、1 NaH2PO4、26 NaHCO3、 95% O2/5% CO2 で泡立てた 11 グルコース。
全細胞パッチクランプ実験では、脳を取り出し、VT1200 S ビブラトーム (LeicaBiosystems) を使用して、以下を含む氷冷溶液 (単位: mM) 中で 300- mm 厚さの冠状スライスを調製しました。 : 110 塩化コリン、25 グルコース、7 MgCl2、2.5 KCl、1.25 Na2PO4、0.5 CaCl2、1.3 Na-アスコルビン酸、3 Na-ピルビン酸、および 25 NaHCO3、95% O2/5% CO2 でバブリング。
スライスを、以下（mM）を含む回収溶液中で室温で少なくとも1時間放置した：125 NaCl、2.5 KCl、1.25 Na2PO4、2 CaCl2、1 MgCl2、25 NaHCO3、および25 グルコース、95% O2/で泡立てた。 CO2 5%。 抑制性シナプス現象を測定する実験では、2 mM キヌレン酸を回収溶液に添加しました。
フィールドレコーディング
データは、昼と夜の記録のそれぞれ ZT 1 ～ 6 または ZT 12 ～ 18 から取得されました。 冠状海馬切片を浸漬チャンバーに置き、標準 ACSF を 3 ～ 5 ml/分、26 ～ 28 度で継続的に灌流しました。領域 CA3 の放射状層に配置された双極刺激電極を使用して、シェイファー側副軸索を刺激しました。 フィールド EPSP (fEPSP) は、刺激電極から 200 ～ 300 mm 以内の領域 CA1 の放射状層に配置された記録電極を使用して取得されました。
ｆＥＰＳＰの初期勾配（ｆＥＰＳＰ勾配）は、ファイバーボレーの直後でｆＥＰＳＰピークに先行する直線領域で測定された。 データはpCLAMP10/11(Molecular Devices)を使用して取得および分析した。 データは、Kerr Scientific S2 増幅器 (Kerr Tissue RecordingSystem、Kerr Scientific Instruments) を使用して記録されました。 信号は 10 kHz でデジタル化されました (Digidata 1550B)。
入出力（I/O）曲線は、一連の増加する刺激強度（0.2–200 mA）に応答するCA1放射状層からのfEPSPの傾きを測定することによって生成されました。 、D 10 mA）をシェーファー側副枝で測定しました。ベースライン fEPSP は、約 0.20 mV/ms の fEPSP を誘発する 0.1- Hz 刺激を 20 分間与えることによって得られました。
長期増強（LTP）実験は、安定したベースラインfEPSP応答を20分間取得および維持することによって実施され、その後、高周波刺激（HFS; 100 Hz; 0.5の持続時間; 15- 秒間隔)。 この弱い刺激プロトコルは、LTP の大きさの昼夜の違いを隠すことを避けるために選択されました (Besing et al., 2017; Davis et al., 2020)。 HFS 後、fEPSP の傾きを 40 分間記録しました。
For more information:1950477648nn@gmail.com
