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Aprendizagem dependente do hipocampo ememóriaforam avaliados usando uma Localização de ObjetoMemória(OLM), uma tarefa espacial não aversivamemóriatarefa que depende da preferência inata do roedor para explorar a nova colocação de objetos44. Todos os camundongos foram testados em OLM durante a adolescência (P41-42). Camundongos com rodas sedentárias e estacionárias não tiveram diferenças significativas em seus desempenhos de OLM, então esses grupos foram combinados (sem ELE). Os camundongos foram expostos a dois objetos idênticos por 3-min ou 10-min durante a fase de aquisição de OLM, seguido por um teste de retenção de OLM de 5-min realizado 24 horas depois (Fig. 2a). Durante o teste OLM, um dos objetos foi colocado em um novo local e os tempos gastos explorando locais de objetos familiares e novos foram quantificados e expressos como um índice de discriminação (DI). Todos os camundongos foram habituados às câmaras OLM por três dias consecutivos, duas vezes por dia, e demonstraram habituação reduzindo significativamente a distância percorrida entre os ensaios, independentemente do grupo de exercício (Fig. 2b,c; machos: efeito principal do ensaio de habituação: F(3,6 , 146,2)=75.76, p < 0.0001;="" nenhum="" efeito="" do="" grupo="" de="" exercícios:="" f(7,="" 83)="1.48," p="0.19;" interação="" grupo="" x="" tentativa:="" f(15.203)="2.63," p="0.001." mulheres:="" efeito="" principal="" da="" tentativa="" de="" habituação:="" f(1.201,="" 45.38)="8.93," p="" {="" {36}},003;="" nenhum="" efeito="" do="" grupo="" de="" exercícios:="" f(3,40)="0,55," p="0,65;" nenhuma="" interação="" grupo="" x="" tentativa:="" f(15,189)="" {{46}="" }.81,="" p="">

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No projeto OLM de sublimiar usado para este estudo, a 3-exposição mínima de treinamento (fase de aquisição) é uma duração previamente estabelecida como sublimiar para dar suporte a longo prazomemóriaformação em camundongos adultos, enquanto a exposição 10-min de treinamento é normalmente suficiente45. Nossos primeiros experimentos testaram se 10-min de treinamento durante a aquisição de OLM também foram suficientes para longo prazomemóriaformação na adolescência. Nenhuma preferência de objeto foi observada em nenhum dos grupos, conforme indicado pela média de IDs próximos a {{0}} (Fig. 2d; machos: F(3, 27)=0.47, p { {6}}.70; mulheres: F(3,27)=1.93, p=0.15). Durante o teste OLM 24 h depois, todos os 10-grupos treinados min exibiram forte preferência por novos objetos colocados, como demonstrado por um aumento significativo no teste DI quando comparado aos DIs de aquisição (Fig. 2e; machos: principal efeito do OLM sessão: F(1,27)=143,5, p < 0,0001;="" nenhum="" efeito="" do="" grupo="" de="" execução:="" f(3,27)="2,06," p="0,12;" e="" sem="" interação:="" f(3,27)="0.73," p="0.54." mulheres:="" efeito="" principal="" da="" sessão="" olm:="" f(1,26)="66.4," p="">< 0,0001;="" sem="" efeito="" de="" grupo="" de="" execução:="" f(3,26)="0,78," p="0,52;" e="" sem="" interação:="" f(3,26)="0,80" ,="" p="0.50)." a="" exposição="" à="" corrida="" não="" melhorou="">memóriadesempenho durante o teste OLM, sugerindo um possível platô de aprendizado alcançado por todos os grupos após serem treinados por 10-min no dia anterior (homens: F(3,27)=1.71, p {{5} }.19; mulheres: F(3,26)=0.23, p=0.87). Além disso, não houve diferenças nos tempos totais de exploração de objetos durante o teste OLM (Fig. 2f; machos: F(3,27)=0.56, p=0.65; fêmeas: F(3, 26)=1.65, p=0.20). Esses dados sugerem que o desempenho na tarefa OLM pode ser usado como uma medida robusta de longo prazo.memóriaformação em camundongos adolescentes machos e fêmeas.

3-minutos de treinamento OLM demonstraram ser insuficientes para longo prazomemóriaformação em adultos não exercitados, mas pode tornar-se suficiente se imediatamente precedida de exercício42,43. Dadas as melhorias induzidas pelo exercício no espaço de longo prazomemóriaem camundongos adultos, procuramos determinar se esse fenômeno também é verdadeiro durante a adolescência. Todos os grupos treinados por 3-min não exibiram preferência de objeto significativa durante a aquisição de OLM (Fig. 2g, machos: F(3, 27)=1.17, p=0.34; fêmeas : F(3,24)=0.03, p=0.99). Camundongos sedentários machos e fêmeas tiveram DIs significativamente menores do que camundongos sedentários treinados por 10-min, sugerindo que camundongos adolescentes (P42) treinados e não exercitados por 3-min não formam fortes a longo prazomemóriapara localização do objeto (testes t não pareados, machos: t(14)=4.73, p=0.{{20}}003; fêmeas: t(16) {{ 7}}.90, p=0.01). As comparações de DI de teste de OLM correspondentes com DI de aquisição revelaram que qualquer exposição ao exercício no início da vida em camundongos machos leva a uma preferência significativa de localização de novos objetos durante o teste, enquanto em camundongos fêmeas, apenas os grupos juv ELE e juv-adol ELE tiveram significância. preferência de objeto durante o teste quando comparado ao treinamento (Fig. 2h; homens: não ELE: p=0,18; juv-adol ELE: p=0,0002; juv ELE: p < 0,0001;="" adol="" ele="" :="" p="0.03;" mulheres:="" não="" ele:="" p="0.15;" juv-adol="" ele:="" p="0.002;" juv="" ele:="" p="">< 0,0001;="" adol="" ele:="" p="" {="" {31}}.47).="" ao="" comparar="" cada="" grupo="" de="" exercício="" com="" controles="" sedentários,="" camundongos="" machos="" que="" se="" submeteram="" ao="" exercício="" durante="" o="" período="" juvenil="" (juv="" ele="" e="" juv-adol="" ele)="" mostraram="" forte="" preferência="" pela="" localização="" de="" novos="" objetos="" quando="" treinados="" por="" 3-min="" (fig.="" 2h;="" f(3,="" 27)="7.78," p="0.0007;" sem="" ele="" vs="" juv-adol="" ele:="" p="0.009;" sem="" ele="" vs="" juv="" ele:="" p="" {{46)="" }}.001)="" enquanto="" os="" camundongos="" adol="" ele="" não="" (sem="" ele="" vs="" adol="" ele:="" p="0.84)." nas="" mulheres,="" apenas="" o="" grupo="" ele="" juv="" teve="" preferência="" significativamente="" maior="" pela="" localização="" do="" novo="" objeto="" quando="" comparado="" aos="" controles="" sedentários="" (fig.="" 2h;="" f(3,22)="5.23," p="0.007;" não="" ele="" vs="" juv="" ele:="" p="0.01;" sem="" ele="" vs="" juv-adol="" ele:="" p="0.38;" sem="" ele="" vs="" adol="" ele:="" p="0.92)." todos="" os="" grupos="" de="" camundongos="" treinados="" 3-min="" passaram="" tempos="" semelhantes="" explorando="" objetos="" durante="" o="" teste="" olm="" (fig.="" 2i;="" machos:="" f(3,27)="0.16," p="0.92;" fêmeas="" :="" f(3,22)="0.39," p="">

Por fim, uma ANOVA de três fatores foi realizada para determinar o impacto e as interações entre todas as variáveis ​​nominais nos IDs de cada grupo, incluindo sexo como variável biológica (total de três variáveis ​​nominais: duração do treinamento OLM, grupo ELE e sexo; variável mensurável: DI). Cada variável individual foi uma fonte significativa de variação (duração do treinamento OLM: F(1,102)=13.23, p=0.0004; sexo: F(1,102)=4,74, p=0,03; grupo ELE: F(3,102)=4,42, p=0,006). Houve interação significativa entre a duração do treinamento e o grupo ELE, corroborada por análises prévias (p < 0,0001);="" entretanto,="" não="" houve="" outras="" interações="" significativas="" (grupo="" ele="" x="" sexo,="" duração="" do="" treinamento="" x="" sexo,="" grupo="" ele="" x="" duração="" do="" treinamento="" x="" sexo:="" todas="" com="" p=""> 0,05). Esses resultados sugerem que, em ambos os sexos, o exercício que ocorre durante um período específico de desenvolvimento juvenil (P21-27) é suficiente para melhorar a longo prazo.memóriapara um teste de aquisição de OLM que geralmente é insuficiente para memória de longo prazo em controles sedentários e habilitação induzida por ELE por juv de longo prazomemóriaestá presente pelo menos 2 semanas após o término do período de exercício juvenil.

A plasticidade sináptica e a excitabilidade hipocampal em CA1 são moduladas em camundongos machos após exercícios no início da vida. Estudos anteriores confirmaram quememóriapara localização de objetos requer um hipocampo dorsal intacto e funcional46. Portanto, a plasticidade sináptica foi examinada na via colateral CA3-CA1 Schafer do hipocampo em camundongos sedentários e ELE, para testar a hipótese de que ELE também leva a um aumento na força sináptica na mesma região envolvida na ativaçãomemóriadesempenho após juv e juv-Adol ELE. Estudos de potenciação de longo prazo (LTP) foram realizados em fatias agudas do hipocampo de camundongos ELE juvenis, adolescentes e juvenis-adolescentes. Apenas camundongos machos foram usados ​​em estudos eletrofisiológicos. Os camundongos foram sacrificados entre P42-P51. LTP foi induzida com um único trem de 5 rajadas teta para entradas colaterais de Schafer e potenciais pós-sinápticos excitatórios de campo extracelular (fEPSPs) foram registrados a partir de dendritos apicais de CA1b. LTP foi notavelmente aumentado em camundongos juv-Adol ELE, mas não nos grupos juv ELE ou adol ELE (Fig. 3a; F(3,42)=7.20, p=0.0005). A LTP aumentada no grupo juv-Adol ELE foi mantida por 50-60 minutos pós-TBS (Fig. 3b; comparado ao sedentário: p=0.0006). Este achado é consistente com estudos anteriores demonstrando que uma semana de atividade física voluntária é tipicamente uma duração insuficiente de exercício para aumentar a LTP em roedores adultos (especificamente no giro denteado10).

As curvas de entrada/saída foram geradas registrando as inclinações de fEPSP em resposta a intensidades de estímulo crescentes, a fim de testar a hipótese de que ELE pode aumentar a transmissão sináptica do hipocampo. A relação de entrada/saída para fEPSP versus intensidade de estímulo (atual) revelou um efeito principal do grupo ELE (Fig. 3c; F(3,38)=5.93, p=0.{{ 12}}02), efeito da intensidade do estímulo (F(9,342) {{10}}.3, p < 0.0001),="" e="" interação="" signifcativa="" (f(27.342)="5,08," p="">< 0,0001).="" a="" análise="" post-hoc="" revelou="" inclinações="" de="" fepsp="" aumentadas="" nos="" grupos="" juv="" ele="" e="" juv-adol="" ele="" em="" comparação="" com="" os="" controles,="" vistos="" apenas="" nas="" intensidades="" de="" estímulo="" mais="" altas="" (entre="" 7-10="" (x10)="" ua;="" p=""><0,05). além="" disso,="" as="" amplitudes="" de="" voleio="" de="" fibra="" aferente="" (que="" são="" consideradas="" como="" representando="" respostas="" fisiológicas="" pré-sinápticas="" dentro="" da="" fatia)="" também="" foram="" plotadas="" em="" relação="" à="" intensidade="" do="" estímulo="" e,="" novamente,="" demonstraram="" os="" principais="" efeitos="" do="" grupo="" ele="" (fig.="" 3d;="" f(3.420)="34.07" ,="" p="">< 0,0001),="" efeito="" principal="" da="" intensidade="" do="" estímulo="" (f(9.420)="148,2," p="">< 0,0001)="" e="" interação="" signifcativa="" (f(27.420)="2,02," p="" {{44}="" }.002).="" para="" avaliar="" a="" relação="" entre="" a="" inclinação="" de="" fepsp="" e="" a="" amplitude="" de="" voleio="" de="" fibra="" pré-sináptica="" correspondente,="" plotamos="" esses="" valores="" uns="" contra="" os="" outros="" e="" conduzimos="" uma="" regressão="">

Figura 3. O exercício no início da vida aumenta a plasticidade sináptica hipocampal em CA1. (a) Fatias de hipocampo de camundongos submetidos a 3 semanas de exercício (apenas-adol ELE) tiveram um aumento significativo na LTP em resposta à estimulação teta-burst (TBS) em comparação com controles sedentários, 1-semana de exercício em camundongos juvenis durante P21-27 (juv ELE) e 1-semana de exercício em camundongos adolescentes durante P35-41 (Adol ELE). (b) Esta potenciação aumentada em fatias juv-Adol ELE foi sustentada 50-60 min pós-TBS. (c) curva de E/S plotando a inclinação EPSP contra a corrente gerada nas colaterais de Schafer mostrou um aumento significativo nas inclinações de fEPSP em ambos juv ELE e juv-Adol ELE em comparação com adol ELE e controles sedentários. (d) A curva de E/S traçando a inclinação do EPSP contra voleios de fibra pré-sináptica também mostra um efeito significativo do exercício precoce na amplitude do voleio de fibra em comparação com controles sedentários. (e) Curva de E/S traçando a relação entre a amplitude do voleio da fibra e a inclinação do EPSP. (f) Não foram encontradas diferenças significativas entre os grupos após a facilitação de pulso pareado. ***p Menor ou igual a 0,005.

análise (Fig. 3e). Esta análise não revelou nenhuma mudança na relação amplitude do vôlei de fibra – inclinação da fEPSP no grupo juv ELE quando comparado ao controle (p > 0.05), mas uma diferença significativa estava presente no juv-Adol ELE (p=0,002) e adol ELE (p < 0,0001).="" experimentos="" de="" facilitação="" de="" pulso="" pareado="" também="" foram="" realizados="" para="" interrogar="" a="" função="" pré-sináptica.="" tese="" não="" demonstrou="" diferença="" entre="" os="" grupos="" (fig.="" 3f;="" f(3,41)="1.75," p="0.171)." no="" geral,="" esses="" dados="" sugerem="" um="" impacto="" significativo="" de="" ele="" no="" aumento="" da="" potenciação="" de="" longo="" prazo="" do="" hipocampo.="" embora="" esse="" achado="" esteja="" em="" contraste="" com="" os="" dados="" em="" camundongos="" adultos="" que="" demonstram="" falta="" de="" aprimoramento="" na="" ca1-ltp="" após="" corrida="" voluntária="" crônica="" na="" roda9,="" pode="" implicar="" um="" período="" específico="" de="" 1-semana="" de="" exercício="" juvenil="" que="" pode="" levar="" a="" alterações="" na="" função="" e="" plasticidade="" do="" circuito="" ca1="" do="">

Discussão

Nós projetamos com sucesso um modelo de camundongo de exercício voluntário no início da vida para a avaliação de hipocampo-dependentememóriae plasticidade sináptica durante o desenvolvimento pós-natal. Nosso objetivo foi explorar a possibilidade de que o exercício físico durante o início da vida pode levar a benefícios duradouros na função hipocampal. Para esse fim, nosso modelo foi projetado para atingir os primeiros períodos de maturação do hipocampo para descobrir mecanismos celulares e moleculares temporalmente específicos envolvidos exclusivamente pelo exercício no início da vida. Este desenho experimental permitiu-nos testar a hipótese de que o exercício juvenil durante uma semana (P21-27) é suficiente para influenciar a função hipocampal de forma duradoura. Descobrimos que o exercício para a 4ª -6ª semana pós-natal (juv-Adol ELE), bem como uma experiência de exercício mais curta apenas durante a 4ª semana pós-natal (juv ELE) permitemmemóriaformação em camundongos machos. Isso não foi verdade para camundongos que se exercitaram apenas durante a 6ª semana pós-natal (adol ELE), sugerindo que a 4ª semana pós-natal de desenvolvimento foi particularmente sensível à experiência de exercício para permitir a função da memória de longo prazo de maneira duradoura. CA1-LTP aumentou signifcativamente em camundongos que se exercitaram por 3-semanas, mas não foi ainda mais aprimorado em 1-jovens da semana nem 1-jovens na semana, quando comparados aos controles sedentários. Um achado interessante foi que as propriedades que refletem a excitabilidade hipocampal (curvas I/O) foram significativamente moduladas em ambos os grupos de camundongos que se exercitaram durante a 4ª semana pós-natal; além disso, essas mudanças duraram pelo menos 2 semanas no grupo juv ELE. Este resultado correspondeu ao efeito duradouro de juv ELE na melhoria da função de memória em OLM, que também foi demonstrado duas semanas após a cessação do exercício. Até onde sabemos, este achado não foi previamente testado ou descrito em outros modelos existentes de roedores no início da vida ou exercício em adultos.

Todos os camundongos que se exercitaram durante o período juvenil formarammemóriade um evento de aprendizagem que é tipicamente sublimiar para longo prazomemóriaformação45. Mais notavelmente, o efeito de juv ELE na formação de memória de longo prazo persistiu em camundongos machos e fêmeas. Nossos dados do grupo juv-adol ELE são consistentes com trabalhos anteriores que demonstram que, em camundongos machos adultos, a corrida voluntária de rodas por 3-semanas permitiumemóriano mesmo paradigma OLM dependente do hipocampo42. Nesse estudo, a administração do inibidor de histona deacetilase (HDAC) butirato de sódio (NaB) produziu efeitos semelhantes ao exercício emmemóriae manteve os aprimoramentos de memória por mais tempo do que o exercício. Além disso, tanto o exercício quanto o tratamento com NaB foram associados ao aumento da expressão de BDNF, bem como à acetilação enriquecida do promotor de BDNF H4K8 (um marcador de ativação transcricional42,47). Esses resultados sugerem que o exercício permitememóriaformação pela modificação da estrutura da cromatina, potencialmente para permitir a ativação transcricional de genes necessários para a plasticidade induzida pelo exercício e a formação da memória de longo prazo. Trabalhos anteriores fizeram alusão a esse conceito como uma "memória molecular" do exercício17,43,48. Em Abel e Rissman18, 1-semana de exercício adolescente (P46-52) induziu vários genes hipocampais relacionados à plasticidade sináptica e sinalização celular (incluindo Bdnf, Cbln1, Syn1 e Syp), aumento da acetilação global de H3 e down- regulou vários genes HDAC9 . Dado o papel crucial dos mecanismos modificadores de histonas namemóriae plasticidade sináptica49,50 e nossa nova descoberta de que o exercício juvenil pode levar a efeitos persistentesmemóriafunção, uma direção futura será avaliar se há uma persistência subjacente de modificações de cromatina que podem aumentar a eficiência de longo prazomemóriaformação após ELE.

Dados recentes sugerem que o exercício em adultos pode permitirmemóriafuncionar após um breve exercício de reexposição43. Usando o mesmo paradigma de aquisição OLM usado neste estudo, um mínimo de duas semanas de exercício voluntário foi necessário paramemóriamelhorias para persistir. Além disso, esses aprimoramentos de memória persistiram por cerca de três dias após o retorno à atividade sedentária. Camundongos exercitados por 2 semanas receberam um "exercício de reativação" adicional de 2 dias (normalmente insuficiente para melhorar o desempenho do OLM) dentro de uma janela temporal específica (sete dias, mas não 14 dias, após o retorno à atividade sedentária) que poderia melhorar o desempenho da memória no OLM43. Este estudo, com nossos achados atuais, destaca que o tempo e a duração do exercício podem ter diferentes impactos no desempenho da memória e podem revelar novos mecanismos neurobiológicos subjacentes à persistência dos efeitos dos exercícios na memória42.

OLM requer um hipocampo dorsal intacto46. O desempenho de OLM ativado em camundongos juv-Adol ELE complementa nossa descoberta de CA1-LTP aprimorado nesses camundongos. Estudos com foco nos efeitos do exercício na LTP no hipocampo CA1 são relativamente sub-representados na literatura desde o financiamento de que a LTP permaneceu inalterada após a corrida voluntária crônica em ratos adultos9,10, mas o exercício pode resgatar as deficiências da CA1-LTP no configurações de estresse13 ou privação de sono14. Neste estudo, a LTP foi aumentada após a estimulação theta-burst no grupo de animais que se submeteram a três semanas de exercício (apenas-adol ELE), mas não naqueles camundongos que se submeteram a uma semana de exercício (apenas grupos ELE e Adol ELE, Fig. . 3a). Isso sugere que durante os períodos juvenis e adolescentes, os aprimoramentos de LTP após ELE podem exigir exposição a exercícios de longo prazo (mais de 1-semanas), o que foi sugerido anteriormente9. A LTP é considerada o correlato celular da aprendizagem e da memória51. A estimulação Teta-burst foi o nosso protocolo de indução LTP escolhido porque esta forma de LTP é dependente do BDNF52,53 e potencialmente imita os padrões de disparo do circuito que ocorrem durante o aprendizado em roedores54 e humanos55. Este estudo também apresenta a nova descoberta de que a excitabilidade do hipocampo foi persistentemente aumentada após apenas ELE, como refletido em inclinações de fEPSP e amplitudes de vôlei de fibra com aumento da intensidade de estímulo em ambos os grupos juv ELE e juv-Adol ELE. Outros experimentos que caracterizam as propriedades eletrofisiológicas da rede hipocampal após o exercício juvenil, particularmente quando testados bem após o término da experiência do exercício, lançariam luz sobre como a função sináptica hipocampal pode ser alterada de maneira duradoura.

ELE tem efeitos semelhantes no desempenho de OLM em mulheres no grupo juv ELE (mas não no grupo juv-Adol ELE) quando comparado a controles sedentários. Em geral, a atividade física aeróbica voluntária em roedores machos e fêmeas durante a idade adulta produz benefícios semelhantes em dependentes de hipocampo.memóriatarefas 56. Embora tenha sido bem estabelecido que o BDNF é um dos principais mediadores que facilitam os efeitos do exercício na função hipocampal em camundongos machos57, pode haver variações dependentes do sexo nas variantes de emenda do BDNF após o exercício influenciarmemóriadesempenho58. Demonstrou-se que os estrogênios modulam a plasticidade estrutural no hipocampo59 e podem aumentar a dependência do hipocampo.memóriavia BDNF60. No presente estudo, as adolescentes do sexo feminino não foram formalmente verificadas quanto ao estágio do ciclo estral, mas poderiam estar em vários estágios do ciclo no momento do ELE ou do teste de memória, influenciando assim suamemóriadesempenho61,62.

Neste estudo, camundongos machos e fêmeas correm distâncias cumulativas semelhantes, independentemente do momento do exercício. Camundongos fêmeas adultas normalmente percorrem distâncias maiores do que machos em paradigmas de roda de corrida voluntária63 e o ciclo estral afeta a corrida64. A falta de diferenças entre os sexos na distância percorrida pode ser devido aos efeitos de coorte da fase do ciclo estral. Outra descoberta interessante foi que camundongos estacionários (sta) ganharam mais peso do que camundongos sedentários ou exercitados durante o período da adolescência (Fig. 1b), o que pode refletir as adaptações do músculo esquelético ao subir na roda. Mais estudos são necessários para caracterizar as adaptações fisiológicas ao ELE em camundongos machos e fêmeas e se elas impactam os resultados de longo prazo nos comportamentos de exercício (motivação para o exercício ou os efeitos recompensadores do exercício) ememóriafunções.

Em resumo, é bem conhecido que o exercício é um modulador positivo e altamente potente da função cognitiva em adultos. No entanto, atualmente não existem parâmetros de exercício para o desenvolvimento cognitivo ideal em crianças com desenvolvimento típico, bem como em crianças com deficiência cognitiva. Além disso, como o exercício no início da vida pode contribuir para as funções cognitivas na vida adulta, e os mecanismos moleculares responsáveis ​​pelos efeitos persistentes da ELE, é uma área de pesquisa madura para exploração adicional19. Devido à escassez de dados pré-clínicos e clínicos sobre o assunto, as diretrizes de exercícios para crianças são atualmente vagas65. Se os resultados deste estudo são relevantes para os seres humanos, eles implicam um efeito duradouro de ELE na aprendizagem ememóriafunções. Uma compreensão mecanicista de ELE pode ser aproveitada para informar intervenções baseadas em exercícios para melhorar e preservar as funções cognitivas ao longo da vida das crianças.