Examen de la variation diurne et des différences sexuelles dans la neurophysiologie hippocampique et la mémoire spatiale, partie 1

Abstrait

Les rythmes circadiens sont des processus biologiques qui s’étalent sur 24 heures et régulent de nombreuses facettes de la neurophysiologie, notamment l’apprentissage et la mémoire. La variation circadienne de la performance des tâches de mémoire spatiale est bien documentée ; cependant, l’effet du sexe sur la durée circadienne (CT) reste flou.

La neurophysiologie est l'étude de la structure, de la fonction et de la pathologie du système nerveux. La mémoire fait référence à la capacité d'un individu à conserver, reproduire et utiliser les informations mémorisées. Il existe une relation indissociable entre la neurophysiologie et la mémoire.

En neurophysiologie, il existe une structure appelée synapse, qui fait partie intégrante du système nerveux. Les synapses sont le lieu où les informations sont transmises entre les neurones et la mémoire repose sur les synapses. Lorsqu'un neurone reçoit des informations, il communique avec d'autres neurones via des synapses et transmet les informations. Le renforcement ou l’affaiblissement de ces contacts constitue la base de la formation et du changement de la mémoire.

La mémoire n’est que le résultat de multiples échanges et calculs entre différents neurones du cerveau humain. Le nombre de neurones dans le corps est fixe, c'est-à-dire que notre réserve de mémoire est fixe. Améliorer la mémoire signifie donc améliorer la force des connexions entre les neurones, ainsi que le nombre et la qualité des connexions entre les synapses, ce qui nécessite des connaissances approfondies en neurophysiologie.

La recherche neurophysiologique est donc très bénéfique pour améliorer la mémoire individuelle. L’apprentissage de la neurophysiologie peut nous aider à mieux comprendre le fonctionnement du cerveau humain, nous permettant ainsi d’améliorer la mémoire grâce à l’exercice et à l’entraînement. Certaines méthodes incluent le renforcement des connexions entre les neurones en lisant davantage et en réfléchissant davantage, ainsi que l'amélioration de la quantité et de la qualité des synapses en effectuant divers exercices mentaux.

En bref, la recherche neurophysiologique peut non seulement nous aider à mieux comprendre la relation entre le cerveau humain et la mémoire, mais également proposer diverses méthodes et techniques pour améliorer la mémoire individuelle. Par conséquent, nous devons activement acquérir des connaissances pertinentes en neurophysiologie afin de créer un meilleur environnement pour notre mémoire. On voit que nous devons améliorer notre mémoire. La Cistanche deserticola peut améliorer considérablement la mémoire car la Cistanche deserticola est une matière médicinale traditionnelle chinoise avec de nombreux effets uniques, dont l'un est d'améliorer la mémoire. L’efficacité de la viande hachée vient des différents ingrédients actifs qu’elle contient, notamment des acides, des polysaccharides, des flavonoïdes, etc. Ces ingrédients peuvent favoriser la santé cérébrale de diverses manières.

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De plus, on sait peu de choses sur l’impact de l’heure de la journée sur la physiologie neuronale de l’hippocampe. Ici, nous avons étudié l'influence du sexe et de l'heure de la journée sur la neurophysiologie et la mémoire de l'hippocampe chez la souris. Les performances de la tâche de mémoire de localisation d'objets (OLM) dépendaient à la fois du temps circadien et du sexe, la mémoire étant améliorée la nuit chez les hommes mais pendant la journée chez les femmes. L'ampleur de la potentialisation synaptique (LTP) à long terme au niveau des synapses CA3-CA1 était plus grande la nuit que le jour chez les deux sexes.
Ensuite, nous avons mesuré l’excitation et l’inhibition synaptiques spontanées sur les neurones pyramidaux CA1. La fréquence et l'amplitude de l'inhibition étaient plus grandes pendant la journée que pendant la nuit, quel que soit le sexe. La fréquence et l'amplitude de l'excitation étaient plus grandes chez les femelles que chez les mâles, indépendamment de l'heure de la journée, bien que l'heure de la journée et le sexe influencent tous deux la probabilité de libération présynaptique.

La nuit, les neurones pyramidaux CA1 présentaient une excitabilité accrue (déclenchement du potentiel d'action et/ou potentiel de base) qui dépendait de l'excitation et de l'inhibition synaptiques, quel que soit le sexe. Cette étude souligne l'importance du sexe et de l'heure de la journée dans la physiologie de l'hippocampe, d'autant plus que de nombreux troubles neurologiques affectant l'hippocampe sont liés à des perturbations circadiennes et se présentent différemment chez les hommes et les femmes. La connaissance de la manière dont le sexe et les rythmes circadiens affectent la physiologie de l'hippocampe peut améliorer la pertinence translationnelle des traitements et éclairer le calendrier approprié des traitements existants.

Mots clés:

circadien; hippocampe; mémoire; plasticité; rythmes; synaptique.

Déclaration d'importance

Les rythmes circadiens régulent de nombreux aspects de la neurophysiologie, notamment la cognition. Cependant, l’impact de l’heure de la journée et du sexe sur la neurophysiologie hippocampique et la mémoire dépendante de l’hippocampe reste largement inexploré.

Nous rapportons ici que la régulation circadienne de la mémoire de localisation des objets (OLM) dépend du sexe. En outre, l'examen de la physiologie de l'hippocampe selon l'heure de la journée chez les deux sexes a révélé : une potentialisation synaptique à long terme améliorée la nuit, une plus grande transmission synaptique inhibitrice de jour sur les neurones pyramidaux CA1, des effets des deux sexes et de l'heure de la journée sur la transmission synaptique excitatrice sur CA1. neurones pyramidaux et une excitabilité nocturne accrue des neurones pyramidaux CA1 qui dépend à la fois de l'entrée synaptique et de la position le long de l'axe hippocampique antéro-postérieur. Ces résultats soulignent l'importance de tenir compte du sexe, de la localisation régionale et de l'heure de la journée dans l'étude de la physiologie de l'hippocampe.

Introduction

L'hippocampe est le siège de l'apprentissage et de la mémoire dans le cerveau et sa production principale est générée par les principales cellules (c'est-à-dire les neurones pyramidaux) de la zone CA1. Le déclenchement du potentiel d'action par un neurone pyramidal CA1, comme tout autre neurone, est une fonction combinée de la commande synaptique excitatrice et inhibitrice, des propriétés membranaires intrinsèques régulant l'excitabilité et des neuromodulateurs (Spruston, 2008).

Une facette relativement inexplorée de l’hippocampe est la façon dont la physiologie des neurones pyramidaux CA1 est modulée en fonction de l’heure de la journée. Au niveau cellulaire, les variations temporelles de la fonction biologique sont générées par une boucle de rétroaction transcriptionnelle-traductionnelle (Partch et al., 2014). Les horloges tissulaires dans tout le corps sont organisées hiérarchiquement dans un système qui détermine le timing des rythmes horaires 24- dans la physiologie et le comportement, permettant aux organismes de s'adapter et d'anticiper les événements qui se produisent régulièrement dans leur environnement (Pilorz et al., 2020 ; Buijs et al., 2021).

La régulation circadienne des processus physiologiques est avantageuse, et une dérégulation des rythmes circadiens peut favoriser et exacerber l'apparition et les symptômes de la maladie (Logan et McClung, 2019 ; Colwell, 2021). Par conséquent, comprendre l’influence circadienne sur la physiologie est crucial pour concevoir des interventions contre les maladies présentant un dysfonctionnement circadien, telles que les maladies neurodégénératives (Lee et al., 2021).

De plus, la majorité des connaissances fondamentales concernant les principes fondamentaux de la physiologie hippocampique reposent sur des études menées chez des rongeurs nocturnes, principalement mâles, pendant leur phase inactive (diurne). Même si la communauté scientifique a commencé à considérer l’importance du sexe comme facteur dans la recherche biomédicale, l’importance du moment de la journée reste encore relativement sous-estimée. L’objectif primordial de cette étude était de commencer à dévoiler comment le sexe et l’heure de la journée interagissent pour influencer les variations quotidiennes de la physiologie et de la fonction de l’hippocampe.

Le noyau suprachiasmatique (SCN) de l'hypothalamus est le principal orchestrateur du réseau circadien endogène, et les propriétés électriques des neurones SCN varient selon le moment de la journée.

La régulation circadienne de l'excitabilité neuronale est répandue dans le cerveau des mammifères (Paul et al., 2020) et a été observée chez de nombreuses espèces, notamment les rongeurs (Snider et al., 2018), la drosophile (Cao et Nitabach, 2008; Sheeba, 2008), et le poisson zèbre (Elbaz et al., 2013). Bien que le SCN soit l'horloge principale, des horloges circadiennes autonomes existent dans d'autres régions du cerveau, notamment l'hippocampe (Paul et al., 2020 ; Hartsock et Spencer, 2020). Au niveau moléculaire, les sous-régions de l'hippocampe expriment de manière rythmique les protéines de l'horloge centrale, la couche du corps cellulaire de la zone CA1 ayant la plus forte expression de PER2 (Jilg et al., 2010). De plus, plus de 600 gènes, dont ceux codant pour les canaux ioniques et les protéines synaptiques, présentent une expression circadienne dans l'hippocampe (Zhang et al., 2014 ; Renaud et al., 2015).

Au niveau cellulaire, la potentialisation à long terme (LTP), une forme de plasticité dans laquelle des modèles spécifiques de stimulation synaptique entraînent une augmentation durable de la force de la transmission synaptique, s'exprime à une plus grande ampleur la nuit que le jour chez les souris nocturnes (Chaudhury et coll., 2005 ; Besing et coll., 2017 ; Davis et coll., 2020). La fonction cognitive est également régulée par le système circadien (Wright et al., 2012) et la régulation circadienne des performances lors des tests de mémoire dépendant de l'hippocampe a été démontrée chez plusieurs espèces (Snider et al., 2018).

Cependant, notre compréhension de la façon dont le sexe affecte la régulation circadienne de la cognition est limitée. De plus, les preuves au niveau cellulaire font défaut, y compris une compréhension détaillée de la façon dont l'heure de la journée et le sexe régulent l'entraînement synaptique et les propriétés membranaires des cellules pyramidales CA1. Ici, nous avons cherché à déterminer comment le sexe et l'heure de la journée modulent le circuit hippocampique : du niveau comportemental jusqu'à la physiologie neuronale individuelle.

Nous avons constaté que la régulation circadienne de la mémoire dépendante de l'hippocampe dépend du sexe, alors que les différences jour-nuit dans la LTP de l'hippocampe ne le sont pas. Nous avons également constaté que la transmission synaptique et l'excitabilité neuronale varient en fonction de l'heure de la journée et que certains de ces changements dépendent du sexe.

Matériels et méthodes

Animaux

Toutes les procédures sur les animaux suivaient le Guide pour le soin et l'utilisation des animaux de laboratoire du Service de santé publique des États-Unis et ont été approuvées par le Comité institutionnel de protection et d'utilisation des animaux de l'Université d'Alabama à Birmingham. Toutes les expériences ont utilisé des souris C57BL/6J des deux sexes âgées de 6- à 12-semaines obtenues auprès des laboratoires Jackson (http://jaxmice.jax.org/strain/013636.html) ou la colonie C57BL/6J de l'Université de l'Alabama à Birmingham.

Les souris ont été maintenues selon un cycle lumière/obscurité de 12/12 h avec un accès ad libitum à la nourriture (LabDiet Rodent 5001 de Purina) et à l'eau. Les souris ont été regroupées dans des cages de même sexe de quatre souris pour des expériences comportementales. Pour toutes les autres expériences, les souris ont été hébergées en groupe dans des cages de même sexe de deux à sept souris par cage.

Mémoire d'emplacement d'objet (OLM)

La tâche de mémoire de localisation d'objet (OLM) (Snider et al., 2016) a été réalisée sous une lumière rouge faible de 10 lux. Quatre cohortes de souris ont été utilisées, chaque cohorte étant composée de huit mâles et huit femelles. Au sein de chaque cohorte, les souris ont été soumises à une habituation, à un entraînement et à des tests pendant la journée ou la nuit. Dans les cohortes 1 et 3, les hommes ont été testés pendant la journée et les femmes la nuit. Dans les cohortes 2 et 4, les femelles ont été testées pendant la journée et les mâles la nuit.

Les souris ont été entraînées à un cycle lumière/obscurité (LD) de 12/12 h, puis habituées à l'arène pendant 2 jours à l'heure Zeitgeber (ZT) quatre ou à ZT 16 (où ZT 12 fait référence aux lumières éteintes), de jour comme de nuit. respectivement (jours 1 à 2 ; Fig.1A, B). Après le deuxième jour, les souris ont été relâchées dans l'obscurité constante (DD) et de nouveau habituées à l'arène à l'heure circadienne projetée (CT) 4 ou 16 (jours 3 à 4, où CT 12 fait référence à l'heure projetée d'extinction des lumières du cycle LD précédent ; Figures 1A, B). Les souris ont été autorisées à s'acclimater à la salle de comportement pendant 20 minutes chaque jour immédiatement avant l'habituation ou l'entraînement/test.

L'habituation consistait en 5 minutes de manipulation suivies de 5 minutes d'exploration de l'arène avec des repères visuels présents. Les indices visuels consistaient en des rayures verticales sur un mur et en un grand X rouge sur un autre mur. Les arènes mesuraient 35,5 à 25,4 cm avec des murs de 20,3 cm de hauteur. La formation et les tests OLM ont eu lieu à DD, 24 h après le dernier jour d'habituation au CT quatre ou CT 16 projeté. Les objets étaient fabriqués avec des blocs de construction PRETEX (article n ° 8030-100) et avaient trois positions possibles dans l'arène, toutes au moins À 8,9 cm des murs.

Pendant l’entraînement, chaque souris a pu explorer l’arène avec deux objets pendant 5 minutes. Ensuite, la souris a été ramenée dans sa cage d'origine pendant 30 minutes, pendant lesquelles l'un des objets de l'exploration initiale a été déplacé vers une nouvelle position (le nouvel emplacement) tandis que l'autre est resté dans sa position d'origine (l'emplacement familier ; Fig. 1C). Une période de rappel de 30- minutes a été choisie sur la base de méthodes publiées précédemment (Snider et al., 2016) et pour éviter les interférences de mémoire dues à la privation de sommeil ou à l'amélioration de la mémoire suite à une période de sommeil nocturne.

Au cours de la phase de test, chaque souris a été replacée dans l'arène avec les objets de localisation nouveaux et familiers et autorisée à explorer pendant 5 minutes. Toutes les habitudes, entraînements et tests ont été enregistrés à 30 FPS (modèle de caméra ELP : ELP-USBFHD05MT-KL36IR). L'exploration a été suivie à l'aide d'un modèle informatique réalisé via DeepLabCut. L'interaction des objets a ensuite été analysée à l'aide de scripts MATLAB (MathWorks) personnalisés développés par Mary Phillips (https://github.com/PhillipsML/DLC-NovelObject#dlc-novel object). Pour l'analyse des données, plusieurs critères d'exclusion ont été appliqués : les souris présentant une nette préférence latérale, les souris qui passaient la plupart de leur temps à explorer des objets pour tenter de s'échapper de l'arène, et les souris ayant une forte préférence pour un objet plutôt que pour un autre pendant l'entraînement ont été exclues. L'indice de discrimination a été calculé comme suit : (temps passé à explorer l'emplacement d'un nouvel objet, temps passé à explorer l'emplacement d'un objet familier)/(temps passé à explorer l'emplacement d'un nouvel objet 1 temps passé à explorer l'emplacement d'un objet familier).

Électrophysiologie

Préparation des tranches

Les souris ont été tuées avec luxation cervicale et décapitation rapide à ZT {{0}} – 1 ou ZT 11–12 pour des expériences de jour et de nuit, respectivement. Le sexe et l’heure de la journée étaient entrelacés. Pour les expériences sur le terrain extracellulaire, des cerveaux ont été prélevés et des tranches coronales de 350- mm ont été préparées à l'aide d'un vibratome VT1200 S (Leica Biosystems) dans une solution glacée contenant les éléments suivants (en mM) : 85 NaCl, 2,5 KCl, 4 MgSO4 * 7H2O. , 0,5 CaCl2 * 2H2O, 1,25 NaH2PO4, 75Saccharose, 25 NaHCO3, 25 Glucose saturé à 95% O2 et 5% CO2. Les tranches ont été laissées au repos pendant au moins 1 h dans une solution de récupération de CSF artificiel standard (ACSF) contenant les éléments suivants (en mM) : 119 NaCl, 2,5 KCl, 1,3 MgSO4 * 7H2O, 2,5 CaCl2 * 2H2O, 1 NaH2PO4, 26 NaHCO3, et 11 glucose, barbotés avec 95 % d'O2/5 % de CO2.

Pour les expériences de patch-clamp sur cellules entières, les cerveaux ont été prélevés et des tranches coronales de 300- mm d'épaisseur ont été préparées à l'aide d'un vibratome VT1200 S (LeicaBiosystems) dans une solution glacée contenant les éléments suivants (en mM) : 110 chlorure de choline, 25 glucose, 7 MgCl2, 2,5 KCl, 1,25 Na2PO4, 0,5 CaCl2, 1,3 Na-ascorbate, 3 Na-pyruvate et 25 NaHCO3, barbotés avec 95 % O2/5 % CO2.
Les tranches ont été laissées reposer pendant au moins 1 h à température ambiante dans une solution de récupération contenant les éléments suivants (en mM) : 125 NaCl, 2,5 KCl, 1,25 Na2PO4, 2 CaCl2, 1 MgCl2, 25 NaHCO3 et 25 glucose, barbotés avec 95 % O2/ 5% de CO2. Pour les expériences mesurant les événements synaptiques inhibiteurs, 2 mM d'acide kynurénique ont été ajoutés à la solution de récupération.

Enregistrements de terrain

Les données ont été obtenues à partir de ZT 1 à 6 ou ZT 12 à 18 pour les enregistrements de jour et de nuit, respectivement. Des tranches coronales d'hippocampe ont été placées dans une chambre d'immersion et perfusées en continu avec de l'ACSF standard à 3–5 ml/min et 26–28 degrés. Les axones collatéraux de Schaffer ont été stimulés à l'aide d'une électrode de stimulation bipolaire placée dans la couche radiatum de la zone CA3. Les EPSP de champ (fEPSP) ont été obtenus avec une électrode d'enregistrement placée dans la couche radiatum de la zone CA1, à moins de 200–300 mm de l'électrode de stimulation.

La pente initiale des fEPSP (pente fEPSP) a été mesurée au niveau de la région linéaire suivant immédiatement la volée de fibres et précédant le pic de fEPSP. Les données ont été acquises et analysées à l'aide de pCLAMP10/11 (Molecular Devices). Les données ont été enregistrées à l'aide d'un amplificateur Kerr Scientific S2 (Kerr Tissue RecordingSystem, Kerr Scientific Instruments). Les signaux ont été numérisés à 10 kHz (Digidata 1550B).

Les courbes d'entrée-sortie (E/S) ont été générées en mesurant la pente des fEPSP de la couche radiatum CA1 en réponse à une série d'intensités de stimulation croissantes (0,2–200 mA , D 10 mA) au niveau des garanties Schaffer. Les fEPSP de base ont été obtenus en délivrant une stimulation de 0,1- Hz pour obtenir des fEPSP d'environ 0,20 mV/ms pendant 20 min.

Des expériences de potentialisation à long terme (LTP) ont été menées en obtenant et en maintenant une réponse EPSP de base stable pendant 20 min, puis la LTP a été induite en délivrant une stimulation à haute fréquence (HFS ; 100 Hz ; 0,5 sduration ; délivrée 2 avec 15-s intervalle). Ce protocole de stimulation plus faible a été choisi pour éviter de masquer la différence jour/nuit dans l’ampleur de la LTP (Besing et al., 2017 ; Davis et al., 2020). Après HFS, les pentes fEPSP ont été enregistrées pendant 40 minutes.

For more information:1950477648nn@gmail.com