O exercício em esteira evita o declínio na aprendizagem espacial e na memória em camundongos 3 × Tg-AD por meio do aprimoramento da plasticidade sináptica estrutural do hipocampo e do córtex pré-frontal Parte 1

Resumo:

A doença de Alzheimer (DA) é caracterizada por déficits de aprendizagem e memória. Uma característica patológica da DA são as alterações no número e tamanho das sinapses, comprimento do axônio, complexidade dendrítica e número de espinhas dendríticas no hipocampo e no córtex pré-frontal.

A doença de Alzheimer é uma doença neurodegenerativa que afeta principalmente a memória, a capacidade de raciocínio e a capacidade de vida diária dos pacientes. No entanto, embora a memória dos pacientes com doença de Alzheimer seja afetada, ainda podemos compreendê-los e ajudá-los a partir de múltiplas perspectivas.

Em primeiro lugar, embora a memória dos pacientes com doença de Alzheimer diminua gradualmente, a sua capacidade sensorial e de expressão emocional não são afetadas. Portanto, podemos ajudá-los cuidando de suas necessidades físicas e prestando atenção às suas necessidades emocionais.

Em segundo lugar, a perda de memória dos pacientes com doença de Alzheimer pode ser aliviada através do treino e da melhoria da atenção. Por exemplo, os pacientes podem exercitar o cérebro e melhorar a memória lendo livros e participando de atividades musicais ou jogos. Além disso, se os familiares e as comunidades puderem prestar apoio e ajuda aos pacientes, o efeito destas actividades poderá ser mais significativo.

Finalmente, deveríamos encorajar a sociedade a prestar mais atenção e compreensão aos pacientes com doença de Alzheimer. Os pacientes precisam da nossa companhia e apoio, e não apenas de confiar na memória. Somente quando o ambiente social é repleto de amor e cuidado a condição do paciente pode ser melhor tratada e gerenciada.

Em suma, a relação entre a doença de Alzheimer e a memória é muito complicada, mas devemos ajudar activamente os pacientes, melhorar a sua qualidade de vida e encorajar a sociedade a prestar atenção e compreender a sua situação. Espero que cada um de nós possa criar uma sociedade melhor e mais harmoniosa no futuro. Percebe-se que precisamos melhorar a memória, e Cistanche pode melhorar significativamente a memória porque também pode regular o equilíbrio dos neurotransmissores, como aumentar o nível de acetilcolina e fatores de crescimento, que são muito importantes para a memória e o aprendizado. Além disso, Cistanche também pode melhorar o fluxo sanguíneo e promover o fornecimento de oxigênio, o que pode garantir que o cérebro obtenha nutrição e energia suficientes, melhorando assim a vitalidade e a resistência do cérebro.

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O exercício em esteira pode aumentar a plasticidade sináptica em modelos de acidente vascular cerebral, isquemia e demência em camundongos ou ratos. Este estudo teve como objetivo examinar os efeitos do exercício em esteira no aprendizado e na memória, e na plasticidade estrutural-sináptica em camundongos 3 × Tg-AD, um modelo de camundongo com DA.

Aqui, mostramos que 12 semanas de exercício em esteira começando em camundongos de três meses de idade melhoram a memória de trabalho espacial em camundongos 3×Tg-AD de seis meses de idade, enquanto camundongos 3×Tg-AD de seis meses de idade sem exercício exibiram comprometimento memória de trabalho espacial.

Para investigar mecanismos potenciais para a melhora do aprendizado espacial e da memória induzida pelo exercício em esteira, examinamos a plasticidade sináptica estrutural no hipocampo e no córtex pré-frontal de camundongos 3 × Tg-AD de seis meses de idade que foram submetidos a 12 semanas de exercício em esteira.

Descobrimos que o exercício em esteira levou a aumentos no número de sinapses, nos parâmetros estruturais sinápticos, na expressão de sinaptofisina (Syn, um marcador pré-sináptico), no comprimento do axônio, na complexidade dendrítica e no número de espinhas dendríticas em camundongos 3 × Tg-AD e restaurados estes parâmetros para níveis semelhantes de ratos de controle não-Tg sem exercício em esteira. Além disso, o exercício em esteira também melhorou esses parâmetros em camundongos controle não-Tg.

O fortalecimento da plasticidade sináptica estrutural pode representar um mecanismo potencial pelo qual o exercício em esteira evita um declínio no aprendizado espacial e na memória e na perda de sinapses em camundongos 3 × Tg-AD.

Palavras-chave: exercício; memória; sináptico; espinhas dendríticas; plasticidade sináptica estrutural; Camundongos 3×Tg-AD.

1. Introdução

A doença de Alzheimer (DA) é uma doença neurodegenerativa progressiva, mais frequentemente caracterizada por comprometimento da memória e declínio cognitivo [1]. A dificuldade em lembrar informações recentemente aprendidas, ou perda de memória de curto prazo, é um sintoma precoce da DA [2].

À medida que a doença progride, os pacientes com DA experimentam gradualmente perda de memória de longo prazo, o que afeta gravemente a qualidade de vida. A patologia da DA é caracterizada pelo acúmulo de placas amilóides (A) e emaranhados neurofibrilares de tau no hipocampo e no córtex pré-frontal (PFC), ambos estruturas-chave na aprendizagem e na memória [3–6].

Estudos anteriores sugerem que A e tau podem prejudicar a memória ao interromper a plasticidade sináptica no hipocampo e no córtex pré-frontal [7,8].

Essa plasticidade sináptica inclui mudanças dependentes da atividade na eficácia e remodelação sináptica, brotamento axonal e remodelação dendrítica e dinâmica da coluna dendrítica.

Em estudos com animais, os oligômeros A solúveis em concentrações nanomolares, extraídos diretamente do córtex cerebral de pacientes típicos com DA ou gerados a partir de um peptídeo sintético, perturbaram a memória de um comportamento aprendido, inibindo potencialmente a potenciação de longo prazo (LTP), aumentando a depressão de longo prazo. (LTD), reduzindo a densidade da coluna dendrítica do hipocampo [9–11].

Enquanto isso, foi demonstrado que o aprendizado espacial e o comprometimento da memória são causados ​​por disfunção sináptica tanto em pacientes desumanos quanto em diferentes modelos de camundongos transgênicos de DA, por exemplo, AppNL-GF [12,13], Tg2576 [14], APP/PS1 [15], 5×FAD [16] e 3×Tg-AD [17].

A função sináptica reduzida foi frequentemente observada em camundongos jovens antes do desenvolvimento da placa, o que indicou que os oligômeros A desencadeiam déficits sinápticos antes da formação da placa [18]. Enquanto isso, estudos que utilizam tomografia computadorizada (TC) e ressonância magnética (RM) mostram que o córtex hipocampal e pré-frontal de pessoas com doença de Alzheimer diminui dramaticamente à medida que a doença progride [19,20].

A DA é cada vez mais prevalente em todo o mundo e, no entanto, nenhum tratamento disponível pode curar ou retardar a progressão desta doença. Evidências acumuladas sugerem que o exercício físico diminui a carga amilóide, melhora a plasticidade sináptica e os défices de aprendizagem e memória em modelos de roedores da DA e atrasa o progresso das alterações patológicas. no cérebro [21–28].

O exercício físico pode atuar através de diversos mecanismos em diferentes modelos experimentais. O exercício aeróbico pode aumentar o fluxo sanguíneo cerebral, melhorar a utilização de oxigênio e regular positivamente a expressão de fatores de crescimento que promovem a plasticidade sináptica e a neurogênese e podem exercer um efeito benéfico direto na função cerebral [29–31].

Os mecanismos envolvidos incluem a regulação positiva da expressão gênica de alvos moleculares associados ao aprendizado e à memória, à plasticidade sináptica e à sobrevivência neuronal [30].

Além disso, o exercício aeróbico pode melhorar os déficits de aprendizagem e memória, revertendo a perda de sinapses no hipocampo e no córtex em ratos idosos, um modelo de demência vascular em ratos e um modelo de oclusão/reperfusão da artéria cerebral média (MCAO/R) [31–33].

O presente estudo examinará os efeitos de 12 semanas de exercícios em esteira no aprendizado espacial e na memória usando um labirinto radial de oito braços em camundongos 3×Tg-AD de seis meses de idade.

Em seguida, os potenciais mecanismos envolvidos são investigados. O hipocampo e o córtex pré-frontal são conhecidos por serem regiões cerebrais críticas para o aprendizado espacial e a memória [34].

Acredita-se que a plasticidade sináptica no hipocampo e no córtex pré-frontal seja a base celular do aprendizado e da memória, que depende do fortalecimento das conexões sinápticas [35].

Estudos anteriores descobriram que a zona ativa sináptica maior é mais eficaz na excitação de neurônios pós-sinápticos e o encurtamento da zona ativa pode refletir uma condição de eficiência prejudicada da transmissão sináptica [36].

O neurotransmissor se difunde através da fenda sináptica e se liga a proteínas receptoras na membrana do neurônio pós-sináptico, fazendo com que canais iônicos na membrana pós-sináptica se abram ou fechem.

O encurtamento ideal da extensão da fenda sináptica e o espessamento da densidade pós-sináptica (PSD) podem aumentar a eficiência da transmissão sináptica [37–39]. Além disso, as espinhas axônica, dendrítica e dendrítica constituem a base estrutural da plasticidade sináptica estrutural.

No presente estudo, determinamos se 12 semanas de pré-tratamento com exercícios em esteira alteraram o comprometimento induzido por A na plasticidade sináptica estrutural no hipocampo e no córtex pré-frontal em camundongos 3 × Tg-AD com seis meses de idade.

Descobrimos que 12 semanas de exercício em esteira evitaram um declínio no aprendizado espacial e na memória em camundongos 3 × Tg-AD de seis meses de idade e que o exercício em esteira levou a uma maior plasticidade sináptica estrutural, aumentando o número de sinapses e os parâmetros estruturais sinápticos, a expressão de sinaptofisina (Syn ), o comprimento do axônio, a complexidade dendrítica e os números da espinha dendrítica. Esses mecanismos podem estar subjacentes à melhora do aprendizado e da memória induzida pelo exercício em esteira.

2. Materiais e Métodos

2.1. Animais

Camundongos machos com doença de Alzheimer triplamente transgênica (3 × Tg-AD) (abrigando os transgenes PS1M146Vknockin, APPswe e TauP301L) foram adquiridos do Laboratório Jackson. Camundongos machos C57BL/6J de mesma idade foram empregados como não transgênicos (Não-Tg) controles.

O estudo foi realizado em camundongos 3×Tg-AD com 3- meses de idade (n=20) e não-Tg (n=20). Todos os animais tiveram acesso ad libitum a comida e água em uma sala mantida com temperatura controlada (23 ± 1◦C) e umidade (40–60%), com ciclo claro-escuro de 12 horas.

Os ratos foram tratados diariamente durante 3 a 6 dias antes dos experimentos comportamentais. Toda a manutenção e utilização dos animais foram realizadas de acordo com protocolos aprovados pelo comitê de ética da Beijing Sport University (2015015).

2.2. Protocolo de exercícios em esteira

Aos 3 meses de idade, os ratos foram distribuídos aleatoriamente em quatro grupos (n=10 cada): grupo controle não-Tg, grupo de exercício não-Tg, grupo de controle 3×Tg-AD e grupo de exercício 3×Tg-AD .

Todos os camundongos exercitados foram autorizados a se adaptar à corrida em esteira por 30 minutos e 3 dias consecutivos (primeiro dia a 5 m/min; segundo e terceiro dias a 10 m/min).

Em seguida, esses ratos foram submetidos a um protocolo de exercícios em esteira à velocidade de 12 m/min em uma0◦ inclinação por 10 min, depois 15 m/min por 50 min. No total, os ratos foram treinados durante 1 hora por dia, 5 dias por semana, durante um total de 12 semanas.

De acordo com nosso teste realizado em uma esteira fechada de pista única anexada a um sistema de monitoramento de animais de laboratório Oxymax/Comprehensive, esse protocolo de treinamento de longa duração mantém a intensidade do exercício de 50% a 65% do VO2máx.

Os ratos dos grupos controle não-Tg e controle 3×Tg-AD foram deixados na esteira, sem correr, pelo mesmo período que os grupos de exercício. Primeiro realizamos o teste do labirinto de oito braços radiais para todos os camundongos (10 camundongos em cada grupo, 6 meses de idade).

Em seguida, examinamos as anormalidades histológicas por coloração de Golgi (3 camundongos em cada grupo), Western blot (3 camundongos em cada grupo) e microscopia eletrônica (4 camundongos em cada grupo) (Figura 1A).

Figura 1. O exercício em esteira previne o declínio no aprendizado espacial e na memória em camundongos 3×Tg-AD. (A) Cronograma de exercício em esteira ou controle sem exercício, teste comportamental e teste histológico. (B)

A porcentagem de erros de memória de trabalho no dia 5 e no dia 6 aumentou significativamente nos ratos 3×Tg-AD em comparação com o grupo de controle não-Tg (B; ** p < 0 0,01, n=10 ratos).

O aumento na porcentagem de erros de memória de trabalho foi evitado por pré-tratamentos com exercícios em esteira (B; ## p < {{0}}.01,n=10 ratos). (C) Não houve efeitos significativos na porcentagem de erros de memória de referência entre camundongos controle não-Tg, exercício não-Tg, controle 3×Tg-AD e exercício 3×Tg-AD (C; p> 0,05, n {{ 11}} ratos).

2.3. Teste de labirinto radial de oito braços

O labirinto radial de oito braços consistia em uma plataforma central com diâmetro de 18 cm e oito braços que se estendiam a partir da plataforma central, cada um com 30 cm de comprimento, 7 cm de largura e 15 cm de altura, com igual distância angular entre os braços adjacentes. O labirinto radial de oito braços foi pintado de azul.

A extremidade de cada braço segurava um copo de comida com 3 cm de diâmetro e 1 cm de profundidade. Uma porta estava localizada entre cada braço e o centro do labirinto. Uma câmera de vídeo localizada acima do labirinto foi conectada a um computador para registrar o movimento dos animais.

O labirinto foi elevado 35 cm acima do nível do chão em uma sala mal iluminada com vários sinais extras do labirinto. Todo o processo experimental utilizou o chocolate como alimento. Os dados foram analisados ​​com o software de análise de vídeo etológico (JLBehv-8ARMM, ShanghaiJiliang Company, Shanghai, China).

Para aumentar a motivação para o chocolate no protocolo do labirinto radial, os ratos foram submetidos a restrição alimentar por mais uma semana para atingir 80-85% do peso corporal original e mantidos nessas condições durante todo o estudo.

A tarefa do labirinto radial foi dividida em sessões de adaptação e aquisição. Nos dois dias consecutivos da sessão de adaptação, cada rato foi colocado na plataforma central de partida.

Após 10 s, todas as portas foram abertas e o rato foi autorizado a explorar e consumir comida (0,08 g de chocolate) em cada braço do labirinto por 10 minutos. A sessão de aquisição consistiu em uma tentativa realizada uma vez ao dia durante 10 dias consecutivos.

Quatro dos braços (1, 3, 5 e 7) foram iscados com recompensas de chocolate. Os ratos foram colocados no centro do labirinto e após 10 segundos todas as portas foram abertas. As atividades dos ratos foram registradas automaticamente e depois analisadas por meio de um sistema de rastreamento de vídeo.

Uma entrada de braço foi contada quando todas as quatro patas do mouse cruzaram o início do braço. O ensaio continuou até o rato entrar nos quatro braços iscados. No final do ensaio, o rato foi devolvido à gaiola inicial.

A entrada em um braço não-iscado foi considerada um erro de memória de referência e uma reentrada em um braço previamente visitado foi considerada um erro de memória de trabalho.

Na tabulação do desempenho, a porcentagem de erros de memória de trabalho (memória de curto prazo) foi definida como quaisquer entradas repetidas entre o total de entradas, e a porcentagem de erros de memória de referência (memória de longo prazo) como a porcentagem de entradas em um braço não iscado e naqueles sem consumo de isca ao inserir armas iscadas no total de entradas [40,41].

2.4. Coloração de Golgi

Para a quantificação das alterações morfológicas, o hipocampo e o córtex pré-frontal foram corados com um kit de coloração de Golgi (FD Rapid Golgi Stain Kit PK -401, FD NeuroTechnologies, Columbia, MD, EUA) seguindo as instruções do fabricante.

Resumidamente, os cérebros foram extraídos e colocados em frascos contendo 20 mL de solução de Golgi-Cox por 17 dias no escuro antes de serem cortados em fatias de 60 µm usando um criostato (Leica, Nussloch, Alemanha).

Os cortes foram incubados na solução corante por 10 min, desidratados em série ascendente de etanol (50%, 70%, 95% e 100%) e clarificados em xileno duas vezes. Finalmente, as lâminas foram revestidas com Permount.

Células piramidais da região CA1 do hipocampo ou camada V do córtex pré-frontal foram desenhadas usando o microscópio com uma ampliação de 200× e 1000×.

Os neurônios foram selecionados se não estivessem obscurecidos (por vasculatura, células gliais ou outros neurônios) e parecessem totalmente corados e intactos dentro da seção.

O comprimento do axônio foi medido traçando manualmente uma neurite desde o limite do soma até a ponta do axônio [42]. A morfologia dendrítica foi avaliada pela análise de Sholl.

Uma grade transparente com anéis concêntricos equidistantes (10 µm) foi centralizada sobre os traçados da árvore dendrítica. O número de interseções de anéis foi usado para estimar o comprimento dendrítico total e a carbonização dendrítica [43–45].

Finalmente, coletamos 9 a 13 seções no hipocampo CA1 e no córtex pré-frontal da camada V de 3 camundongos em cada grupo experimental. Para calcular o número de espinhas, um comprimento de dendrito (pelo menos maior ou igual a 10 µm de comprimento, dendritos de 2ª ordem) foi traçado (em 1000×). O comprimento exato de cada ramo dendrítico foi calculado e o número de espinhos ao longo do comprimento contado (para produzir espinhos/10 µm) [43].

The length of dendritic filopodia is normally >3 µm e<10 µm [46]. The morphology of spines is commonly categorized into three types: thin, mushroom, and stubby [47]. 

Os espinhos são considerados finos se o comprimento for maior que o diâmetro do pescoço e os diâmetros da cabeça e do pescoço forem semelhantes. Os espinhos são classificados como cogumelos se o diâmetro da cabeça for maior que o diâmetro do pescoço. Os espinhos são considerados atarracados se o comprimento e a largura forem iguais.

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