Muutunud norepinefriini ülekanne pärast ruumilist õppimist kahjustab une poolt vahendatud mälu konsolideerumist rottidel

Noradrenergiliste ravimite terapeutiline kasutamine muudab nende mõju hindamise esmatähtsaks. Norepinefriin (NE) on oluline neuromodulaator mitmesuguste kognitiivsete protsesside jaoks ja võib oluliselt kaasa aidata une vahendatud mälu konsolideerimisele. NE ülekanne kõigub vastavalt käitumuslikule ja/või ajuseisundile ning mõjutab sellega seotud närvitegevust. Siin hindasime muutunud NE ülekande mõju pärast hipokampusest sõltuva ülesande õppimist neuraalsele aktiivsusele ja ruumilisele mälule täiskasvanud isasrottidel.

Üha enam uuringuid näitavad, et norepinefriin on tihedalt seotud mäluga. Norepinefriin on neurotransmitter, mis mängib kehas olulist rolli, millest üks soodustab mälu kujunemist ja säilitamist.

Epinefriini peamine ülesanne on stimuleerida närvisüsteemi ning suurendada keskendumisvõimet ja erksust. Need on mäluga tihedalt seotud omadused. Kui oleme stressirohkes olukorras, tõuseb adrenaliinitase, mis muudab aju väga erksaks ja muudab olulise teabe meeldejätmise lihtsamaks.

Lisaks võib epinefriinil olla pikaajaline mõju mälu kujunemisele. Hiljutised uuringud on leidnud, et kui mälestusi aktiveeritakse korduvalt, tõuseb epinefriini tase, mis aitab parandada mälu säilimist ja püsivust.

Lisaks ülaltoodud mõjudele võib epinefriin mõjutada ka mälestuste teket ja säilitamist, mõjutades aju neuronite vahelist koostoimet. See efekt võib soodustada mälestuste teket ja säilimist, reguleerides närvivõrkude ühenduvust.

Kokkuvõttes on epinefriinil oluline seos mäluga. Peaksime säilitama positiivse hoiaku ning keskenduma oma keha ja aju treenimisele, et tõsta adrenaliini taset, parandades seeläbi oma mälu ja kognitiivseid võimeid. On näha, et me peame parandama mälu ja Cistanche deserticola võib oluliselt parandada mälu, sest Cistanche deserticola on traditsiooniline Hiina ravimmaterjal, millel on palju ainulaadseid toimeid, millest üks on mälu parandamine. Hakkliha tõhusus tuleneb selles sisalduvatest erinevatest toimeainetest, sealhulgas hapetest, polüsahhariididest, flavonoididest jne. Need koostisosad võivad aju tervist mitmel viisil edendada.

Klõpsake käsul Tea lühiajalist mälu, kuidas parandada

Manustasime klonidiini (0,05 mg/kg, ip; n= 12 rottidel) või propranolooli (10 mg/kg, ip; n= 11) pärast iga seitsmest päevasest õppesessioonist 8-käe radiaalne labürint. Võrreldes soolalahuse rühmaga (n= 9), oli ravimit saanud rottidel madalam õppimismäär. Ravimite mõju hindamiseks kortikaalsele ja hipokampuse aktiivsusele registreerisime 2 tunni jooksul pärast iga õppeseanssi või ravimi manustamist dorsaalse hipokampuse CA1 alamvälja prefrontaalset EEG-d ja lokaalseid väljapotentsiaale. Mõlemad ravimid vähendasid märkimisväärselt hipokampuse lainetust vähemalt 2 tunni jooksul. EEG-põhine une skoor näitas, et klonidiin kiirendas une algust, pikendades samal ajal vaikset ärkvelolekut.

Propranolool suurendas aktiivset ärkvelolekut mitte-kiire silmade liikumise (NREM) une arvelt. Klonidiin vähendas NREM-une ajal aeglaste võnkumiste (SO) ja une spindlite esinemist ning muutis SO ja une spindlite vahelist ajalist seost. Seega andis NE ülekande farmakoloogiline muutmine mälu konsolideerimiseks suboptimaalse aju oleku. Meie tulemused viitavad sellele, et õppimisjärgne NE aitab kaasa mälu konsolideerimise aluseks oleva hipokampuse-kortikaalse kommunikatsiooni tõhususele.

Noradrenergiliste ravimite kliiniline kasutamine hindab nende mõju kõrge tähtsusega kognitiivsetele funktsioonidele1,2. Klonidiin ja propranolool on ühed sagedamini välja kirjutatud ravimid. Klonidiini kasutatakse antihüpertensiivse ja valuvaigistina, kuid seda on ette nähtud ka unehäirete raviks ning viimasel ajal tähelepanupuudulikkuse ja hüperaktiivsuse häire (ADHD) ja Parkinsoni tõve raviks1,3,4. Propranolooli kasutatakse mitmete kardiovaskulaarsete seisundite ja ärevuse raviks5.

Vaatamata ilmselgele kasule tervisele võib norepinefriini (NE) taseme farmakoloogiline muutus kõrvalmõjuna kahjustada patsientide kognitiivseid võimeid. NE ülekande oluline roll teadlikul (või võrgus) teabetöötlusel on hästi välja kujunenud2,6, 7. Varasemad uuringud on rõhutanud NE tähtsust ka teadvuseta (või "peen") seisundite ajal, nagu uni8–10, kui toimuvad õppimisest tingitud molekulaarsed, sünaptilised ja vooluringi muutused11. Õppimisjärgse une ajal stabiliseeruvad labiilsed mälujäljed algselt hipokampuses (HPC) mälu kodeerivate neuraalsete esinduste taasaktiveerimise kaudu ja integreeritakse seejärel neokorteksisse pikaajaliseks säilitamiseks12.

On näidatud, et NE taseme farmakoloogiline vaheldumine pärast õppimist mõjutas mälu konsolideerumist loomadel 13–18 ja inimestel 9, 10, 19, 20. Lisaks on käitumusliku farmakoloogia uuringud kooskõlas NE hõlbustava rolliga sünaptilist plastilisust 21–25. Vaatamata ulatuslikele tõenditele, mida psühhofarmakoloogia on esitanud NE rolli kohta mälu kodeerimisel ja konsolideerimisel, ei ole NE ülekande õppimisjärgset dünaamikat süstemaatiliselt iseloomustatud. Hiljutised uuringud, mille käigus jälgiti NE vabanemist kõrge ajalise eraldusvõimega spontaanselt käituvatel hiirtel, on varasemat tööd veelgi täpsustanud ja pakkunud välja NE vabanemise rolli mitte-kiire silma liikumise (NREM) une järjepidevuse ja NREM-i une poolt vahendatud mälu konsolideerimise jaoks26, 27.

Neokortikaalsed aeglased (~ 1 Hz) võnked (SO), talamokortikaalsed une spindlid (10–16 Hz) ja hipokampuse võnked (~ 150 Hz) on NREM-une tunnusjooned ja need on tuvastatud kui peamised võnked, mis võimaldavad unest sõltuvat süsteemitaset mälu konsolideerimine28. NE mõju ajaliselt koordineeritud tegevusele mälu toetavas kortiko-hipokampuse võrgus ei ole piisavalt mõistetav11. Prefrontaalse NE vabanemise mikrodialüüsi mõõtmine rottidel tuvastas mööduva tõusu ~ 2 tundi pärast lõhna diskrimineerimist, samal ajal kui prefrontaalsete adrenoretseptorite blokeerimine pärast õppimist põhjustas mälupuudulikkuse29. Dorsaalses HPC-s on emotsionaalse ja ruumilise mälu tõhusaks konsolideerimiseks vajalik -adrenoretseptorite aktiveerimine30,31. Nii 1- kui ka -adrenergilised retseptorid osalevad unevõllide ja hipokampuse lainetuse tekkes26, 32, 33. Varem oleme dokumenteerinud Locus Coeruleuse (LC) noradrenergiliste neuronite suurenenud aktiivsust NREM-une ajal pärast õppimist34 ja nende koordineeritud aktiivsust. süütamine SO35-ga. Oma hiljutises uuringus näitasime, et anesteseeritud rottidel moduleeris LC faasiline aktiveerimine kortikaalse populatsiooni dünaamikat ühe SO tsükli ajalises skaalas. Lõpuks põhjustas naturalistlike LC aktiivsusmustrite muutumine NREM-une ajal mälupuudulikkuse 37, 38.

Käesolevas uuringus seostasime ruumilise õppimise puudujääki muutunud närvitegevusega mälu toetavas võrgus. NE ülekande muutmiseks kasutasime klonidiini ja propranolooli, kahte kliiniliselt olulist ravimit. Klonidiin pärsib LC-NE neuronite süttimist 2-adrenoretseptorite aktiveerimise kaudu ja vähendab NE vabanemist LC-terminalidest39. Propranolool blokeerib NE ülekande, seondudes -adrenoretseptoritega ja pärast korduvat ravi mõõduka annusega (< 40 mg/kg) inhibits the LC activity40,41. We report that the alteration of NE transmission during the post-acquisition period impaired spatial learning. The reduction of SO, sleep spindles, and hippocampal ripples together with the appearance of high voltage spike-and-wave patterns (HVS) was indicative of a pharmacologically induced switch to a brain state that was likely suboptimal for memory consolidation. Our results further support the view that NE transmission during NREM sleep importantly contributes to information processing within the thalamocortical and hippocampal-cortical networks, which are thought to mediate systems-level memory consolidation.

Tulemused

Tulemused saadi täiskasvanud (300–400 g) isastelt Sprague-Dawley rottidelt (n=38), kes jagunesid juhuslikult kolmeks ravimitingimuseks (klonidiin, propranolool ja soolalahus). Iga roti tingimused ja andmete kaasamine / välistamine on loetletud täiendavas tabelis S1.

Õppimisjärgne klonidiin ja propranolool põhjustavad ruumilise mälu puudujääki.

Koolitasime seitsme päevase seansi jooksul kokku 32 rotti ruumilise mälu ülesandega (joonis 1a; üksikasju vt täiendavatest meetoditest). 26 rotti implanteeriti kroonilised elektroodid, et jälgida eesmise EEG ja lokaalse välja potentsiaali (LFP). hipokampus (üksikasju vt jaotisest Meetodid). Veel 6 rotti olid terved (implanteerimata), kuid järgisid sama treeningu/ravimiprotokolli. Oluline on see, et implanteeritud ja implanteerimata rottide õppimiskiirus ei erinenud (täiendav joonis S1). Kohe pärast iga õppeseanssi said rotid klonidiini (0.05 mg/kg, ip; n=12), propranolooli (10 mg/kg, ip; n=11 ) või soolalahust (1 ml/kg, ip; n=9). Esimesel (ravimivaba) õppeseansil ei olnud rühmadevahelist erinevust ühegi käitumusliku muutuja järgi (täiendav tabel S1). Õppimise käigus sisenesid kõik rotid aktiivselt erinevatesse labürindi õlgadesse (joonis 1b) ja kogusid igas katses kõige rohkem tasu (joonis 1c); see käitumismuster ei näidanud rühmadevahelist erinevust üldises liikumisaktiivsuses ega toidumotivatsioonis. Enamik käitumuslikke muutujaid peegeldas õppimise dünaamikat. Ülesande täitmise täpsus suurenes järk-järgult (korduvad mõõdud ANOVA, F (3.7,106.6)=12.0, p<0.0001; Fig. 1d) with the between-group difference approaching a significance level (F (2,29)=3.33, p=0.05). The overall number of errors was significantly higher in the drug-treated rats (Fig. 1e). There was a significant effect of repetition (F (5,145)=11.0, p<0.001) and between-group difference by the number of errors (F(2,29)=7.34, p=0.003). The post-hoc comparisons confirmed a higher number of errors in the drug-treated groups (clonidine: p=0.031, propranolol: p=0.002; Bonferroni post-hoc comparisons vs. saline). Notably, propranolol-treated rats made the most errors during the first trial (Fig. 1f); the latter was indicative of a memory retrieval defect. To further explore the nature of spatial memory deficit, we split the errors into working memory (WM, re-entering the maze arm within a trial) and reference memory (RM, entering unbaited maze arm) errors. There was a significant between-group difference by both WM (F (2, 29)=8.0, p=0.002) and RM (F (2, 29)=5.0, p=0.014). The posthoc comparisons showed that drug-treated rats committed significantly more RM errors (Fig. 1g). Besides, the propranolol-treated rats also made more WM errors (Fig. 1g). Despite obvious spatial memory deficit at the early stages of learning, all rats reached a similar performance level by the end of the learning period (Fig. 1d,e). The trial time was decreasing (F (3.5, 102.4)=16.1, p<0.0001), yet equally in all groups (time: F (2,29)=0.43, p=656). Finally, we used the K-means cluster analysis to split rats according to their learning speed (see Methods for details). Indeed, individual rats learned the task at different rates (Fig. 1h). Remarkably, the proportion of 'slow' learners was much higher among the drug-treated rats (Fig. 1i).

Klonidiin ja propranolool pärsivad hipokampuse lainetust.

Hindasime klonidiini ja propranolooli mõju hipokampuse lainetele kui mälu konsolideerimise põhielemente12. Retrospektiivne analüüs näitas, et 14 rotist 26-st, kes algselt labürinti istutati ja treeniti, ei olnud lainetuse tuvastamine erinevate tehniliste rikete tõttu usaldusväärne. Seetõttu registreeriti valimi suuruse suurendamiseks EEG ja hipokampuse LFP-d veel 6 rotilt, keda raviti ravimitega, kuid mida ei testitud teemas (täiendav joonis S1). Seega testiti ravimite mõju hipokampuse lainetustele 24 rotil (klonidiin, n=8; propranolool, n=9 ja soolalahus, n=7; täiendav tabel S1). Mõlemad ravimid vähendasid oluliselt pulsatsioonikiirust vähemalt 2 tundi pärast süstimist (F(2, 23)=13.27, p=0.0002; joonised 2a–d). Rottide käitumise liigitamine aktiivseks ärkvelolekuks (AW), vaikseks ärkvelolekuks (QW) ja NREM-uneks (üksikasju vt meetoditest) näitas, et mõlema ravimi kõige tugevam toime ilmnes NREM-une ajal võrreldes AW ja QW episoodidega (tabel 1). Nimelt, võrreldes soolalahuse rühmaga (n=7), varieerus pulsatsiooni supressiooni määr NREM-une ajal 40,1%-lt 91,3%-ni pärast klonidiini (n=8) ja 2,3%-lt 86 0,6% pärast propranolooli (n=9) süstimist. Peale pulsatsioonikiiruse märkimisväärse vähenemise ei ilmnenud ravimite mõju pulsatsiooni olemuslikele omadustele (amplituud: F(2, 23)=1). 12, p=0.34; võimsus: F(2, 23)=3.3, p=0.056; pulsatsioonisisene sagedus: (F(2, 23){{ 45}}.40,p=0.11), välja arvatud pikem pulsatsiooni kestus pärast klonidiini (F(2, 23)=11.47, p=0.0004; joon. 2d–f).

Klonidiini ja propranolooli mõju käitumuslikule seisundile ja unega seotud EEG võnkudele. Pärast kehtetute EEG-andmete väljajätmist (n{0}} rotti) viidi EEG-põhised analüüsid läbi kokku 21 andmekogumiga (klonidiin, n=6; propranolool, n{{4}). } ja soolalahus, n=6; täiendav tabel S1). Lisaks mõjule hipokampuse populatsiooni aktiivsusele mõjutasid mõlemad ravimid spontaanse käitumise mustrit. Igas käitumisseisundis veedetud ajas oli rühmadevaheline erinevus (AW: F(2, 20)=4.09, p=0.034; QW:F(2, 20){{ 16}}.84, p=0.021; NREM: F(2, 20)=4.66, p=0.023). Täpsemalt, 2-tunnise süstimisjärgse vaatlusperioodi jooksul pikendas klonidiin QW-d, samas kui propranolool pikendas AW-d ja lühendas NREM-une (täiendav joonis S2). Kumbki ravim ei mõjutanud keskmist ajastu kestust kummaski käitumisseisundis (F(2, 20)  2,57, p  0,10 kõigi puhul). Klonidiini kerget rahustavat toimet peegeldas kiirem une algus (täiendav joonis S2).

Lisaks mõjutati prefrontaalset EEG-d ravimispetsiifiliselt (joonis 3a–c). Täpsemalt suurendas klonidiin sigma (10–16 Hz) võimsust AW ja QW ajal, samal ajal vähendades seda NREM-une ajal (joonis 3d–f). Pealegi, NREM-une ajal ravimitega ravitud rottidel delta< 2 Hz) power was decreased and the power within the 5–7 Hz frequency range was increased due to the appearance of HVS (Fig. 3f). Te observed changes in the EEG power spectrum reflected drug-induced modulation of the oscillatory events like SO and sleep spindles (Figs. 3a–c and 4). In clonidine-treated rats, the SO was less frequent (Table 1) and of smaller amplitude (Supplementary Figure S3). There was no effect on the SO (half-wave) duration (F(2, 20)=2.55, p=0.11). The effect of clonidine on SO was almost immediate and lasted at least for 2 h (Fig. 4d). In clonidine-treated rats, the spindles were more frequent during AW and QW, while their occurrence was decreased during NREM sleep (Table 1). Notably, the effect of clonidine was delayed (Fig. 4h). Te spindle power was significantly decreased by clonidine (Supplementary Figure S3). No change was detected in the spindle length (F(2, 20)=0.08, p=0.92) or the intra-spindle frequency (F(2, 20)=1.09, p=0.36). Te clonidine-induced effects persisted across repeated drug treatments (Supplementary Figure S3). The SO and sleep spindles were unaffected by propranolol (Fig. 4d,h, and Supplementary Figure S3).

Järgmisena hindasime ravimi mõju SO ja une spindlite vahelisele ajalisele sidemele, mis on väljakujunenud nähtus, mida on soovitatud peene konsolideerimise aluseks oleva võrgu koordineerimise mehhanismina. Sel eesmärgil valisime NREM-uneepisoodid ja ekstraheerisime spindlid, mis esinesid ± 1, 5 täpsusega SO negatiivse piigi ümber. Üldiselt oli umbes 1/3 spindlitest SO-sidestatud (F(2, 20)=1.03, p=0.38); aga spindli rühmitus SO negatiivse piigi ümber jagunes rühmade vahel (joonis 4i–l). Soolalahuse ja propranolooliga töödeldud rottidel esinesid spindlid eelistatavalt SO tõusvas faasis, saavutades maksimaalse ms pärast SO negatiivset piiki, samas kui klonidiiniga töödeldud rottidel rühmitusid spindlid SO negatiivse piigi ümber (joonis 4l).

Lõpuks soodustas klonidiini manustamine HVS-i, suure amplituudiga mööduvaid võnkumisi, mis esinevad harva ravimivabades tingimustes (tabel 1 ja täiendav joonis S4). Esimene HVS ilmnes juba 8,4 ± 1.0 min (vahemik: 5,4–11,3 min) pärast klonidiini süstimist, mis oli palju varem kui pärast soolalahust (24,6 ± 2,3 min) (vahemik: 16,6–30,7 min) või propranolool (27,6 ± 6,2 min) (vahemik: 7,7 – 62,2 min).

Märkimisväärne on see, et 5-l 6-st (83,3%) klonidiiniga ravitud rotist ja 5-st 9-st (55,5%) propranolooliga ravitud rotist tuvastati HVS AW oleku ajal, samal ajal kui HVS puudus AW ajal 5-l 6-st soolalahusest. -ravitud rotid. Klonidiiniga töödeldud rottidel oli HVS-määr kõrgem esimese süstimisjärgse tunni jooksul ja see toime püsis päevade jooksul (täiendav joonis S4). Lisaks suurendas klonidiin HVS-i kestust (täiendav joonis S4) ja vähendas HVS-i vahelist sagedust (F(2, 20)=7.94, p=0.003). Klonidiin HVS-i võimsust ei mõjutanud (F(2, 20)=2.28, p=0.13). Propranoloolil ei olnud HVS-ile tuvastatavat mõju (täiendav joonis S4).

Arutelu

Käesolevas uuringus näitasime, et klonidiini (0,05 mg/kg, ip) ja propranolooli (10 mg/kg, ip) korduv manustamine pärast igapäevast kokkupuudet 8-käe radiaalse labürindi ülesandega halvenenud ruumilise mälu konsolideerimine täiskasvanud isastel rottidel. Ruumilise mälu puudulikkus ravimiga ravitud rottidel ilmnes suurema arvu WM- ja RM-vigade puhul. Varasemad uuringud osutasid NREM-une kasulikule mõjule WM-ile, mis võib olla tingitud suurenenud SO-aktiivsusest ja prefrontaal-autonoomsete võrkude võimendamisest 45, 46. Tõepoolest, parasümpaatiline aktiivsus suureneb NREM-une ajal ja see soodustab tõenäoliselt NE vabanemist LC-st vagaalsete sisendite kaudu45. Tus, couleur-SOcoupling NREM-une ajal35 võib toetada järgmise päeva prefrontaalsest sõltuvat WM-i jõudlust45. Meie tulemused toetavad seda hüpoteesi kaudselt, kuna LC-NE aktiivsuse farmakoloogiline pärssimine õppejärgsel perioodil võis tõepoolest mõjutada prefrontaalset funktsiooni, mis on WM suutlikkuse jaoks oluline. Ruumilise mälu madalam täpsus, mis kajastus RM-vigades, näitas ravimite mõju pulsatsiooni vahendatud hipokampuse kortikaalsele suhtlusele, mis on süsteemitasandi konsolideerimise põhikomponent28. Lõpuks näitas kõige tugevam mälupuudulikkus õppimise alguses NE edastuse tähtsust äsja saadud teabe peentöötlusel 8–10.

Enamiku ravimit saanud rottide madalam õppimismäär oli tõenäoliselt seotud unega seotud ajutegevuse muutumisega. Tõepoolest, NE ülekande farmakoloogiline muutus mõjutas unega seotud neuraldünaamikat talamokortikaalsetes ja hipokampuse võrkudes, mis on seotud süsteemitaseme mälu konsolideerimisega28. Täpsemalt, mõlemad ravimid vähendasid dramaatiliselt hipokampuse lainetust, mis arvatakse vahendavat mälu kodeerivate rakusõlmede stabiliseerimist 12, 47. Meie tulemused näitasid, et pulsatsiooni tekitav mehhanism nõuab optimaalset NE taset, samas kui nii suurenenud kui ka vähenenud LC-NE aktiivsus on lainetuse jaoks ebasoodne. Seega võib uimastitest põhjustatud pulsatsiooni pärssimine õppejärgsel perioodil selgitada ruumilise mälu puudujääki. See tulemus on kooskõlas elektrilise pulsatsiooni summutamise põhjustatud õppimisdefektiga 48, 49. Meie teadmiste kohaselt ei ole käituvatel loomadel noradrenergilist mõju hipokampuse lainetele veel iseloomustatud. Lisaks mõjule hipokampuse lainetustele pärsib klonidiin, kuid mitte propranolool, SO ja une spindlid, mis on kooskõlas olemasoleva kirjandusega50,51; see muutis ka SO-spindli sidestust.

Kuigi suhteliselt lühike (~ 2 tundi) vaatlusperiood ei võimaldanud une/ärkveloleku tsüklit iseloomustada, olid ravimite toimed prefrontaalsele EEG-le üldiselt kooskõlas olemasoleva kirjandusega50, 51. Me täheldasime ravimispetsiifilist mõju une / ärkveloleku mustrile ja EEG võimsuse spektrile. Nimelt põhjustas klonidiin kerget sedatsiooni, kiirendades une algust ja pikendades QW-d, propranolool aga suurendas AW-d NREM-une arvelt. Mõlemad ravimid vähendasid EEG võimsust madala (<2 Hz) frequency range and increased 5–7 Hz power during NREM sleep due to the appearance of the HVSs; clonidine also reduced the sigma (10–16 Hz) power. The effects of clonidine were overall more pronounced, lasted for at least 2 h, and were consistent across daily injections. Of note, the aforementioned effects were observed during the dark (active) phase of the rat circadian cycle, while the drug-induced effects may differ during the light (inactive) phase as well as during the extended post-administration period.

Varasemad farmakoloogilised uuringud on korduvalt näidanud, et NE ülekande järelõppe moduleerimine mõjutas mälu tugevust 13–15, 18, 29, 52, 53. Kõrgem LC-NE aktiivsus valvsate olekute ajal on ajendanud uurima selle rolli veebipõhises teabetöötluses 6, 7, samas kui ajuvõrkude noradrenergilise modulatsiooni roll madala valvsuse seisundite, näiteks une ajal, on olnud pikka aega fookusest väljas. Mitmed uuringud tõstsid esile adrenoretseptorite kaudu toimiva NE tähtsust hipokampusest sõltuva mälu konsolideerimise jaoks 10, 37, 38, 54, 55. On hästi tõestatud, et NE soodustab pikaajalist sünaptilist plastilisust 21–25, mis toimub sageli. Oma varasemas uuringus teatasime, et LC-NE neuronite suhtelist rahulikkust NREM-une ajal katkestasid mööduvad aktiivsushood, mis esinesid tõenäolisemalt pärast õppimist. LC-aktiivsuse optogeneetiline muutus NREM-une ajal kahjustas roti jõudlust hipokampusest sõltuva mäluülesande täitmisel. Kaks hiljutist kortikaalse NE vabanemise mõõtmise uuringut näitasid LC-spindli sidestust infra-aeglasel skaalal.

Lisaks noradrenergilise aktiivsuse 29, 34 õppimisjärgsele tõusule võib LC-NE neuronite ajaliselt koordineeritud seotus mõjutada ofine võrgustikke. Kuigi täpne mehhanism, mis reguleerib LC aktiivsuse dünaamikat une ajal, pole teada, eksisteerivad ajalised seosed NE taseme ja unega seotud võnkumiste vahel. LC-NE neuronite toitumiskiirus suureneb une spindlite ajal ja väheneb enne spindli algust57. Oleme varem näidanud ajalist seost LC-NE neuronite põlemise ja SO35 faasi vahel.

Hiljutises uuringus rottidega uretaananesteesia all näitasime, et faasiline LC aktiveerimine pikendas suurenenud erutuvuse ajukoore seisundit ja suurendas prefrontaalsete neuronite tulistamiskiirust36. Oleme varem teatanud, et pulsatsiooniga vallandatud elektriline LC-stimulatsioon tekitas ruumilise mälu defekti, mis oli tõenäoliselt tingitud endogeense LC aktiivsusmustri häirimisest. Meie praeguses uuringus mõjutas klonidiini poolt indutseeritud NE vabanemise pärssimine spindli genereerimise võrku, mis tõenäoliselt häiris LC-spindli sidestust. Vaatamata SO kortikaalsele päritolule, mõjutavad taalamuse58 ja neuromoduleerivate tuumade59, sealhulgas LC36, 60, subkortikaalsed sisendid SO spatiotemporaalset dünaamikat. SO dünaamika NE-vahendatud modulatsiooni kinnitavad veelgi praegused leiud. Täpsemalt näitasime, et klonidiin pärssis SO teket, vähendas SO-amplituudi ja mõjutas SO-spindli sidestust. Arvatakse, et SO-spindli sidumise episoodid viitavad õppesisu aktiveerimisele, kusjuures sidumistäpsus ennustab taasaktiveerimise tugevust, mis on kasulik mälule 61–63. Seega võib piirkondadeülene ajaline sidumine, mis on süsteemitaseme konsolideerimise põhielement, nõuda optimaalset NE taset. SO-spindli ja spindli pulsatsiooni sidestuse tugevus võib sõltuda LC-NE neuronite tulistamismustrist ja NE vabanemise ajastusest. NE-edastuse ajaline ja ruumiline muutmine võib põhjustada vähem tõhusat töötlemist ja mälu puudujääke. On tungiv vajadus täiendavalt uurida selle peenhäälestatud ajalise seose funktsionaalseid tagajärgi LC-NE neuronaalse süttimise ja unega seotud võnkumiste vahel. Kõige tähtsam on see, et uneaegse neuromoduleeriva aktiivsuse koordineeritud puhangu vallandajad tuleb veel kindlaks teha.

Üldiselt näitavad meie tulemused, et tõhusaks teabetöötluseks on vaja optimaalset NE taset. Kogunenud eksperimentaalsed tõendid ja meie praegused leiud toetavad seisukohta, et NE vabanemine peenseisundite ajal soodustab nii sünaptilist kui ka süsteemitasandi konsolideerimist8, 11. NE ülekande muutus mõjutas sisuliselt kõiki talamokortikaalseid ja hipokampuse võnkumisi, mis on seotud süsteemitaseme mälu konsolideerimisega. LC-NE neuronite rohked projektsioonid kogu ajus64 pakuvad NE-le mitmeid viise, kuidas mõjutada koordineeritud aktiivsust mälu toetavates võrkudes, sealhulgas talamokortikaalses, prefrontaalne ja limbiline, kus tekivad SO, une spindlid ja lained12,65,66. Tulevased uuringud uurivad üksikasjalikumalt noradrenergilisi mehhanisme, mis on mälu toetava suuremahulise võrgu tekkimise, säilitamise ja taasaktiveerimise aluseks.

Vaatamata erinevatele toimemehhanismidele on näidatud, et mõlemad ravimid vähendavad LC aktiivsust. Eelkõige oli klonidiini inhibeeriv toime in vitro tugevam hipokampuse ja prefrontaalset projitseerivatele LC-NEuronidele68. Klonidiin pärsib peamiselt presünaptilist NE vabanemist 2-adrenoretseptorite kaudu ja propranolool blokeerib NE ülekannet –adrenergiliste retseptorite kaudu. Peale selle võib propranolool inhibeerida NE tagasihaaret, võimendada NE ülekannet 1-adrenoretseptorite juures ja vähendada dopamiinergilist ülekannet katehhoolamiinide sünteesi pärssimise tõttu69; see võib mõjutada ka serotonergilise ülekande afiinsust tsentraalsete 5-HT-retseptorite suhtes70. Kahe kliiniliselt olulise noradrenergilise ravimi koonduvad toimed, hoolimata nende toimimisest erinevatele adrenoretseptoritele, viitavad sellele, et õppejärgsel perioodil farmakoloogiliselt muutunud NE ülekanne võib häirida mälu toetavat võrgustikku ja põhjustada nende ravimite terapeutilise kasutamise kognitiivset kõrvalmõju.

meetodid

Kasutasime 38 isast Sprague–Dawley rotti (300 – 400 g, Charles Rivers Laboratories, Sulzfeld, Saksamaa). Loomahoones olid keskkonnakontrollitud tingimused: 12-tunnine valguse/pimeduse tsükkel (tuled kustuvad kell 8.00), temperatuur 20–23 kraadi ja õhuniiskus 40–60%. Rotte peeti paarikaupa või üksikult ning neil oli ad libitum juurdepääs toidule ja veele, välja arvatud toidupiirangud (~ 15 g toidugraanuleid roti kohta päevas) õppekatse ajal. Roti kaalu kontrolliti iga päev tagamaks, et see ei oleks alla 85% roti libitum kaalust. Kõik katsed viidi läbi täielikult kooskõlas Euroopa Parlamendi direktiiviga 2010/63/EL, Saksamaa loomade heaolu seadusega (TierSchG) ja loomade heaolu laboratooriumi loomade määrusega (TierSchVersV). Uuringu vaatas läbi piirkondlik loomade heaolu komitee vastavalt Saksamaa loomade heaolu seaduse §-le 15 (Kommission nach §15 des Tierschutzgesetzes), eetikakomisjon (§15 TierSchG) ja kiitis heaks riigiamet (Regierungspräsidium, Tübingen, Baden-Württemberg). , Saksamaa, Referat 35, Veterinärwesen). Käesolev uuring viiakse läbi vastavalt ARRIVE juhistele (https://arriveguidelines.org).

Kirurgia ja elektrofüsioloogilised salvestused. Kirurgilisi ja registreerimisprotseduure on üksikasjalikult kirjeldatud mujal 38,71. Lühidalt, isofluraaniga tuimestatud (5% induktsiooniks, ~ 2% hoolduseks) rott fikseeriti stereotaksilises raamis (David Kopf Instruments, Tujunga, CA), mille pea nurk oli reguleeritud nullkraadiga. Enne elektroodi sisestamise kraniotoomiat süstiti subkutaanselt lokaalanesteetikum (Lidocard 2%, B. Braun, Melsungen, Saksamaa). Elektroentsefalogrammi (EEG) jaoks kinnitati kaks roostevabast terasest kruvi (läbimõõt 0.86 mm) prefrontaalse ajukoore ja väikeaju kohale. Kaks üksikut plaatina-iriidiumelektroodi (FHC Inc., Bowdoin, ME), mis liimiti kokku 100 kuni 200 µm otste vahega, paigaldati isetehtud liikuvale ajamile ja implanteeriti selja HPC-sse ( AP=-3,5 mm, L=2,0 mm, DV=2,0 mm). Neuraalse aktiivsuse veebiseire tagas elektrodeimplantatsiooni ajal dorsaalse HPC CA1 piirkonna täpse sihtimise. Liigutatav ajam võimaldas elektroodi sügavust täiendavalt reguleerida optimaalse pulsatsiooni salvestamiseks labürinditreeningu ajal. Elektromüograafia (EMG) jaoks sisestati kaelalihasesse hõbedast traatelektrood. Kolju külge liimiti 3D-prinditud plastraam, mis oli ühendatud vaskvõrguga, et kaitsta elektroodijuhtmeid ja isoleerida elektrimüra. Jälgiti kehatemperatuuri (~37 kraadi), südame löögisagedust ja vere hapnikusisaldust (üle 90%). 5–7 päeva jooksul pärast operatsioonijärgset taastumist raviti rotte antibiootikumi (10 mg/kg, ip, Baytril, Bayer) ja valuvaigistiga (5 mg/kg, ip, Rymadil, Zoetis).

Pärast operatsioonijärgset taastumist harjuti rotid magamiskastiga (must pleksiklaas, 20 × 20 × 80 cm) ja kaabli ühendamise protseduuriga. Implantaat ühendati Neuralynx Digital Lynxi hankimissüsteemiga (Neuralynx, Bozeman, MT) läbi 32-kanalipeaastme (Neuralynx, Bozeman, MT) ja kohandatud adapteri (SSD10-SS- GS, Omnetic, Minneapolis, MN). Lairiba (0,1 Hz–8 kHz) ekstratsellulaarsed signaalid EEG-st ja HPCelectrodest digiteeriti sagedusel 32 kHz. Elektroodide paigutus HPC-s optimeeriti pulsatsiooni tuvastamiseks vähemalt 24 tundi enne salvestamise algust. Iga salvestusseanss algas iga looma puhul samal ajal ja kestis 2 tundi. See vaatlusperiood valiti varasemate tõendite põhjal, et peenkonsolidatsiooni varajane faas on NE-sõltuv8. Salvestus tehti hämaras ja tsirkadiaanrütmi aktiivses (pimedas) faasis, mis on rottide treenimiseks kõige optimaalsem.

Ruumimälu ülesanne.

Kasutati sama labürindiülesannet ja treeningprotokolli, nagu on üksikasjalikult kirjeldatud mujal38. Rotte treeniti kõrgendatud kaheksa käe radiaalsel labürindis (joonis 1a). Labürindi käed (66 cm pikad × 10 cm laiad), mille otsas on väike süvend (läbimõõt 1 cm) toidutasu (šokolaadipiim) jaoks, mis ulatuvad keskplatvormilt (läbimõõt 30 cm). Labürinti ümbritsevatele mustadele kardinatele kinnitati kaks suurt visuaalset vihjet. Katsetevahelise intervalli ajal asetati rott kõrgendatud alusele. Rottide käitumist jälgiti video abil. Pärast harjumist ja eeltreeningut (täiendavad meetodid) söödati kaheksast labürindikäest 3; premeerimiskohad määrati iga roti jaoks juhuslikult ja jäeti samaks kõigi treeningute jaoks (3 katset päevas 7 päeva jooksul). Katse algas roti asetamisega keskplatvormile ja kestis kuni kõik 3 preemiat koguti või 5 minutit möödus. Labürindi pind pühiti pärast iga katset, et minimeerida haistmismärke. Registreeriti ja analüüsiti järgmised käitumuslikud muutujad: külastatud labürindi relvade arv, katseaeg, valiku täpsus (arvutatakse sööda ja külastatud relvade koguarvu suhtena), töömälu (WM) vead (külastatud gruppidesse uuesti sisenemiste arv) , viitemälu (RM) vead (söödastamata relvade kandmised).

Narkootikumide süstid

Klonidiini ja propranolooli pulber (Sigma Aldrich, Burlington, MA) lahustati soolalahuses ja süstiti intraperitoneaalselt (ip) mahus 1 ml/kg kohe pärast iga labürinti seanssi (klonidiin:0.05. mg/kg, ip; propranolool: 10 mg/kg, ip). Kontrollrotid said soolalahust (1 ml/kg, ip). Klonidiin pärsib NE ülekannet72 ja annuses 0,05 mg/kg (ip) on näidatud, et rottidel vähendab LC aktiivsust 60% algtasemeni67. Propranolool, adrenoretseptori antagonist, pärast korduvat ravi mõõduka annusega (<40 mg/ kg) inhibits the LC activity40,41. Besides, propranolol in a dose of 10 mg/kg (i.p.) was shown to modulate NEmediated excitability of the hippocampal neurons73 while it did not affect rat spontaneous behavior74–76. The half-life of clonidine may greatly vary between 6 and 23 h depending on the dosage, chronic use, and metabolism level75,77. Typically, the plasma peak levels are reached 60–90 min after clonidine administration. The plasma half-life of propranolol is 3 to 6 h with a peak of 1–3 h after ingestion76. The elimination half-life of propranolol is approximately 8 h (https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Propranolol). This, according to the pharmacokinetics of both drugs, the drug concentration was close to the highest during the observation period of up to 2 h post-injection. Importantly, both drugs are effectively washed out within less than 24 hours.

Perfusioon ja histoloogia.

Rotid surmati (100 mg/kg ip, Narcoren, Merial) ja perfuseeriti transkardiaalselt 0,9% soolalahusega, millele järgnes 4% paraformaldehüüdi. Ajud viilutati (50 µm), kasutades horisontaalset külmutusmikrotoomi (Microm HM 440E, Thermo Fischer Scientific, Waltham, MA). Elektroodide paigutuse kontrollimiseks uuriti Nissliga värvitud ajulõike mikroskoobi all (Axiovision, Zeiss, Oberkochen, Saksamaa).

Sündmuse tuvastamine.

SO, une spindlid ja hipokampuse lained tuvastati nii, nagu varem kirjeldatud mujal 71, 78. EEG-signaali diskreetimine vähendati 1 kHz-ni ja ribapääs (0,3–4 Hz) filtreeriti. SO tuvastamiseks eraldati filtreeritud EEG nullpunktid, mis toimusid 0,4 kuni 1- s ajaaknas. Määrati kaks järjestikust negatiivset-positiivset nulli, mille negatiivne piigi amplituud oli alla 100 μV ja negatiivsest positiivsest tipust tipuni amplituud üle 120 μV nagu SO. Spindli tuvastamiseks alaldati ja siluti ribapääs (10–16 Hz) filtreeritud EEG. Spindlid tuvastati signaali amplituudiga, mis ületas keskmise signaali 1,5 standardhälbe (SD) läve NREM-uneperioodide ajal 0,4–2,0 s. Spindlid, mis tekkisid vähem kui 50 ms jooksul, sulatati. HVS-id tuvastati sama algoritmi abil ja kohandatud parameetritega (ribapääs: 5–7 Hz, lävi: 2,5 SD, min/max: 0,7 s/3 s). Kaks HVS-i, mis esinesid vähem kui 200 ms jooksul, liideti. Topelttuvastuse vältimiseks tuvastati HVS-vabadel perioodidel unevõllid. Pulsatsiooni tuvastamiseks oli HPC LFP ribapääs (120–250 Hz) filtreeritud, alaldatud ja silutud. Pulsatsioonid tuvastati signaali amplituudiga, mis ületas 3–5 SD-d 0,025–0,5 sekundi jooksul. Kõigi sündmuste puhul määratleti sisse- ja nihked vastavalt tõusvate ja kahanevate nulliületustena, kasutades 1 SD läve. Võnkumisvõimsus arvutati Hilberti teisendatud signaali mähisjoone integraalina sündmuse sisselülitamise ja nihke vahel. SO-spindli ajalist sidumist hinnati nii, nagu on kirjeldatud mujal . Võrdlussündmusena kasutati Te SO negatiivset piiki (t=0), ±1,5 sekundi jooksul esinevad spindlite piigid ja sügavused ekstraheeriti ning genereeriti sündmuse-korrelatsiooni histogramm. Prügiloend teisendati sündmuste kiiruseks, z-teisendus ja rühma keskmine.

Une skoorimine ja EEG võimsuse spektraalanalüüs. Une skoor põhines visuaalselt toetatud klassifikatsioonil EEG- ja EMG-signaalide järjestikuste 10--perioodide jaoks79. Artefaktideta EEG klassifitseeriti aktiivseks ärkvelolekuks (AW, madala amplituudiga kiire EEG ja kõrge EMG), vaikseks ärkvelolekuks (QW, madala amplituudiga kiire EEG ja madal EMG) ja NREM (kõrge amplituudiga aeglane EEG ja madal EMG). ). REM-une epohhid 2-tunnise salvestamise ajal olid haruldased ja neid ei analüüsitud. EEG võimsusspektrid arvutati iga käitumisseisundi jaoks, kasutades Matlabi (Mathworks, USA) ja FieldTrip tööriistakasti 80. EEG-signaal segmenteeriti {{10}}s perioodideks, mille kattumine a0.5-s. Ühepoolse amplituudispektri arvutamiseks rakendati Hanningi kitsenevatele andmesegmentidele kiiret Fourier' teisendust. Fraktaal- ja võnkekomponentide eraldamiseks EEG võimsusspektris kasutasime ebaregulaarse uuesti proovivõtu automaatse spektraalanalüüsi protseduuri. Aja-sageduse graafikud genereeriti libiseva Hanningi kitseneva akna ja sagedusest sõltuva pikkusega 3 tsükli abil. Sagedusvahemikku 0,05 kuni 20 Hz (0,1 Hz samm) kasutati SO, une spindlite ja HVS jaoks ning 50 kuni 300 Hz (0,05 Hz samm ja 9 tsüklit) hipokampuse pulsatsioonide jaoks.

Eksperimentaalne ülesehitus ja statistiline analüüs.

Kolmkümmend kaks rotti treeniti labürindis, neist 19 rotile implanteeriti elektroodid ja neid raviti kas klonidiini (n=16), propranolooli (n=11) või soolalahusega (n{{4}). }) pärast iga õppeseanssi. Veel üheksale rotile implanteeriti elektroodid ja neid kasutati ainult elektrofüsioloogias. Käitumuslikud muutujad keskmistati seansside lõikes ja neile esitati kordusmõõtmiste dispersioonanalüüs (ANOVA), kus õppeseanss oli korduv tegur ja uimastiravi kui rühmategur. Kui sfäärilisuse eeldust rikuti, rakendati kasvuhoone-Geisseri korrektsiooni. K-keskmiste klasteranalüüsi kasutati, et paljastada õppimise kiiruse varieeruvus subjektide vahel. Täpsemalt esitasime kõigi õppeseansside jaoks valiku täpsuse (nagu on määratletud ruumilise mälu ülesande meetodi jaotises) ja jagasime ajarida kaheks klastriks, mis erinevad õppimise dünaamika poolest. Seejärel arvutasime iga katserühma jaoks välja rottide osakaalu igas klastris. Elektrofüsioloogilistest signaalidest tuletatud muutujad, nagu une algus, ajastu kestus, sündmuste sagedus jne, esitati ühesuunalisele ANOVA-le, kus rühmategurina kasutati ravimiravi, millele järgnesid vajaduse korral Bonferroni posthoc testid. Süstejärgsete sündmuste esinemissagedust võrreldi korduvate mõõtmiste ANOVA abil 1-tunnise ajaaknaga ja korduvate ravimitega. Paarisproovi testi kasutati sündmuste peri-sündmuste histogrammide rühmadevahelise erinevuse paljastamiseks. Statistilise olulisuse (-väärtus) väärtuseks määrati p=0,05. Statistiliseks analüüsiks kasutati IBM SPSS Statistics (v.22). Tulemuste visualiseerimiseks kasutati tarkvarapakette Matlab (R2014a) ja Adobe Illustrator®.

Andmete kättesaadavus

Käesolevas uuringus kasutatud ja/või analüüsitud andmekogumid on mõistliku nõudmise korral kättesaadavad vastavalt autorilt.

Viited

1. Giovannitti, JA, Toms, SM & Crawford, JJ Alpha-2 adrenergiliste retseptorite agonistid: ülevaade praegustest kliinilistest rakendustest.Anesth. Prog. 62, 31–39. https://doi.org/10.2344/0003-3006-62.1.31 (2015).

2. Chamberlain, SR & Robbins, TW. Kognitsiooni noradrenergiline modulatsioon: terapeutilised tagajärjed. J. Psychopharmacol. 27 694–718. https://doi.org/10.1177/0269881113480988 (2013).

3. Newcorn, JH, Krone, B. & Dittmann, RW ADHD mittestimuleerivad ravimeetodid. Laps nooruk. Psychiatr. Clin. N. Am. 31 417–435. https://doi.org/10.1016/j.chc.2022.03.005 (2022).

4. Ciaud, M. et al. Noradrenaliin ja liikumise alguse häired Parkinsoni tõve korral: farmakoloogiline funktsionaalne MRI uuring klonidiiniga. Rakud https://doi.org/10.3390/cells11172640 (2022).

5. Middlemiss, DN, Buxton, DA & Greenwood, DT Beeta-adrenoretseptori antagonistid psühhiaatrias ja neuroloogias. Pharmacol.Ter. 12, 419–437. https://doi.org/10.1016/0163-7258(81)90089-9 (1981).

6. Berridge, CW & Waterhouse, BD Te locus coeruleus-noradrenergic system: käitumusliku seisundi ja olekust sõltuvate kognitiivsete protsesside moduleerimine. Brain Res Brain Res Rev 42, 33–84 (2003).

7. Sara, SJ & Bouret, S. Orienteerumine ja ümberorienteerumine: Te locus coeruleus vahendab tunnetust erutuse kaudu. Neuron, 76 (1), 130–141 (2012).

8. Sara, SJ Locus Coeruleus mälestuste tegemisega ajas. Curr. Arvamus. Neurobiol. 35, 87–94. https://doi.org/10.1016/j.conb.2015.07.004 (2015).

9. Groch, S. et al. Norepinefriini panus emotsionaalse mälu tugevdamisse une ajal. Psühhoneuroendokrinoloogia 36,1342–1350. https://doi.org/10.1016/j.psyneuen.2011.03.006 (2011).

10. Gais, S., Rasch, B., Dahmen, JC, Sara, S. & Born, J. Te memory function of noradrenergic activity in non-REM unes. J. Cogn. Neurosci. 23, 2582–2592. https://doi.org/10.1162/jocn.2011.21622 (2011).

For more information:1950477648nn@gmail.com