يصف البروتوكول الحالي نظام "حركة الرأس السلبية" المصمم خصيصا ، والذي يعيد إنتاج التسارع الميكانيكي عند رؤوس القوارض المتولدة أثناء تشغيل جهاز المشي بسرعات معتدلة. يسمح بتشريح العوامل / العناصر الميكانيكية من الآثار المفيدة لممارسة الرياضة البدنية.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
* These authors contributed equally
يصف البروتوكول الحالي نظام "حركة الرأس السلبية" المصمم خصيصا ، والذي يعيد إنتاج التسارع الميكانيكي عند رؤوس القوارض المتولدة أثناء تشغيل جهاز المشي بسرعات معتدلة. يسمح بتشريح العوامل / العناصر الميكانيكية من الآثار المفيدة لممارسة الرياضة البدنية.
من المسلم به على نطاق واسع أن التمرين فعال لمختلف الأمراض والاضطرابات الجسدية ، بما في ذلك تلك المتعلقة بضعف الدماغ. ومع ذلك ، فإن الآليات الجزيئية وراء الآثار المفيدة للتمرين غير مفهومة بشكل جيد. العديد من التدريبات البدنية ، وخاصة تلك المصنفة على أنها تمارين هوائية مثل الركض والمشي ، تنتج قوى اندفاعية في وقت ملامسة القدم للأرض. لذلك ، تم التكهن بأن التأثير الميكانيكي قد يكون متورطا في كيفية مساهمة التمرين في التوازن العضوي. لاختبار هذه الفرضية على الدماغ ، تم تطوير نظام "حركة الرأس السلبية" المصمم خصيصا (المشار إليه فيما يلي باسم PHM) والذي يمكنه توليد تسارع رأسي بمقادير وأنماط محددة ومحددة وإعادة إنتاج التحفيز الميكانيكي الذي يمكن تطبيقه على رؤوس القوارض أثناء تشغيل جهاز المشي بسرعات معتدلة ، وهو تدخل نموذجي لاختبار آثار التمرين في الحيوانات. باستخدام هذا النظام ، ثبت أن PHM يلخص النوع الفرعي لمستقبلات السيروتونين (5-هيدروكسي تريبتامين ، المشار إليه فيما يلي باسم 5-HT) من النوع الفرعي 2A (5-HT2A) في الخلايا العصبية لقشرة الفص الجبهي (PFC) للفئران. يوفر هذا العمل بروتوكولات مفصلة لتطبيق PHM وقياس التسارع الميكانيكي الناتج عند رؤوس القوارض.
التمرين مفيد لعلاج أو منع العديد من الاضطرابات الجسدية ، بما في ذلك أمراض نمط الحياة مثل داء السكري وارتفاع ضغط الدم الأساسي1. فيما يتعلق بهذا ، تم أيضا تجميع الأدلة فيما يتعلق بالآثار الإيجابية للتمرين على وظائف الدماغ2. ومع ذلك ، فإن الآليات الجزيئية الكامنة وراء فوائد التمرين للدماغ لا تزال غير واضحة في المقام الأول. تولد معظم الأنشطة البدنية والتدريبات تسارعا ميكانيكيا في الرأس ، على الأقل إلى حد ما. في حين يتم تنظيم الظواهر الفسيولوجية المختلفة ميكانيكيا ، فقد تم توثيق أهمية التحميل الميكانيكي ، في معظم الحالات ، في الجهاز العضلي الهيكلي3،4،5. على الرغم من أن الدماغ يتعرض أيضا لقوى ميكانيكية أثناء الأنشطة البدنية ، وخاصة ما يسمى بتمارين التأثير ، إلا أنه نادرا ما تمت دراسة التنظيم الميكانيكي لوظائف الدماغ الفسيولوجية. نظرا لأن توليد التسارع الميكانيكي في الرأس شائع نسبيا في التدريبات البدنية ، فقد تم التكهن بأن التنظيم الميكانيكي قد يكون متورطا في فوائد التمرين لوظائف الدماغ.
إشارات مستقبلات 5-HT2A ضرورية في تنظيم العواطف والسلوكيات بين الإشارات الكيميائية الحيوية المختلفة التي تعمل في الجهاز العصبي. وتشارك في العديد من الأمراض النفسية6،7،8 ، والتي ثبت أن التمارين الرياضية فعالة علاجيا. مستقبلات 5-HT2A هي نوع فرعي من مستقبلات 5-HT2 التي تنتمي إلى عائلة السيروتونين وهي أيضا عضو في عائلة مستقبلات البروتين G (GPCR) ، والتي يتم تعديل إشاراتها من خلال استيعابها ، إما تعتمد على الليجند أو مستقلة9. ارتعاش الرأس هو سلوك مميز للقوارض ، حيث تمثل الكمية (التردد) صراحة شدة إشارات مستقبلات 5-HT2A في الخلايا العصبية لقشرة الفص الجبهي (PFC)10,11. بالاستفادة من الخصوصية الصارمة لهذه الاستجابة المهلوسة ل 5-HT (استجابة ارتعاش الرأس ، المشار إليها فيما يلي باسم HTR ؛ انظر الفيلم التكميلي 1) ، تم اختبار الفرضية المذكورة أعلاه حول الآثار الميكانيكية في تأثيرات التمرين على وظائف الدماغ. وهكذا ، قمنا بتحليل ومقارنة HTR للفئران التي تعرضت إما للتمرين القسري (تشغيل جهاز المشي) أو التدخل الميكانيكي الذي يحاكي التمرين (PHM).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
تمت الموافقة على جميع التجارب على الحيوانات من قبل اللجنة المؤسسية لرعاية واستخدام الحيوان التابعة للمركز الوطني لإعادة تأهيل الأشخاص ذوي الإعاقة. تم استخدام ذكور فئران Sprague-Dawley البالغة من العمر 8-9 أسابيع لقياس التسارع في الرأس أثناء الجري على جهاز المشي و PHM. تم استخدام ذكور C57BL / 6 الفئران البالغة من العمر 9-10 أسابيع لاختبارات السلوك والتحليلات النسيجية ل PFC. تم الحصول على الحيوانات من مصادر تجارية (انظر جدول المواد).
1. قياس مقادير التسارع على طول محاور x و y و z أثناء تشغيل جهاز المشي
2. تعديل نظام PHM وتطبيق PHM على الفئران
3. تشغيل الماوس على جهاز المشي
4. القياس الكمي لاستجابة ارتعاش رأس الفأر (HTR)
5. التحليل المناعي الكيميائي للفأر PFC
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
كان حجم الذروة للتسارع الرأسي عند رؤوس الفئران أثناء تشغيل جهاز المشي بسرعة معتدلة (20 م / دقيقة) حوالي 1.0 × جم (الشكل 1C). تم إنشاء نظام PHM (الشكل 1D) لتوليد قمم تسارع رأسية تبلغ 1.0 × جم عند رؤوس القوارض.
أدى تطبيق PHM (2 هرتز ، 30 دقيقة / يوم لمدة 7 أيام) على الفئران إلى تخفيف HTR بشكل كبير مقارنة بالفئران الضابطة (التخدير اليومي بدون PHM لمدة 30 دقيقة / يوم لمدة 7 أيام) (الشكل 2). ...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
باستخدام نظام تطبيق PHM المطور ، أظهرنا أن إشارات 5-HT في الخلايا العصبية PFC الخاصة بهم منظمة ميكانيكيا. بسبب تعقيد آثار التمرين ، كان من الصعب تشريح عواقب التمرين بدقة في سياق تعزيز الصحة. ينصب التركيز على الجوانب الميكانيكية لمنع مشاركة أو مساهمة الأحداث الأيضية التي قد تحدث مع أو بعد ممارسة الأنشطة ، مثل استهلاك الطاقة. من المتوقع أن تكون الطريقة الموصوفة هنا مفيدة على نطاق أوسع في الأبحاث الطبية الحيوية التي تستكشف الآليات الكامنة وراء تأثيرات التمرين على وظائف الدماغ.
يتطلب النظام الحالي...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
يعلن المؤلفون أنه لا توجد مصلحة متنافسة مرتبطة بالعمل الموصوف في هذه الورقة.
وحظي هذا العمل جزئيا بدعم من صندوق البحوث الداخلية التابع لوزارة الصحة والعمل والرعاية الاجتماعية اليابانية؛ منح معونة للبحث العلمي من الجمعية اليابانية لتعزيز العلوم (KAKENHI 15H01820, 15H04966, 18H04088, 20K21778, 21H04866, 21K11330, 20K19367); برنامج مدعوم من MEXT لمؤسسة البحوث الاستراتيجية في الجامعات الخاصة ، 2015-2019 من وزارة التعليم والثقافة والرياضة والعلوم والتكنولوجيا اليابانية (S1511017) ؛ مؤسسة نايتو للعلوم والهندسة. تلقى هذا البحث أيضا تمويلا من التحالف من أجل أبحاث وتدريب إعادة التأهيل التجديدي (AR3T) ، والذي يدعمه معهد يونيس كينيدي شرايفر الوطني لصحة الطفل والتنمية البشرية (NICHD) ، والمعهد الوطني للاضطرابات العصبية والسكتة الدماغية (NINDS) ، والمعهد الوطني للتصوير الطبي الحيوي والهندسة الحيوية (NIBIB) التابع للمعاهد الوطنية للصحة تحت رقم الجائزة P2CHD086843.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| 5-هيدروكسي تريبتوفان (5-HTP) | سيجما ألدريتش | H9772 | السيروتونين (5-HT) سلائف |
| سائق محرك بدون فرش | محرك شرقي | BMUD30-A2 | مبدل السرعة مدمج سائق |
| محرك C57BL / 6 فئران | شركة الخميرة الشرقية | C57BL / 6J | الفئران المستخدمة في هذه الدراسة |
| Cryostat | Leica | CM33050S | Microtome لقطع العينات |
| المجمدةمحرك | DC Motor Oriental | BLM230-GFV2 | Motor |
| Donkey مضاد للماعز Alexa Fluor 568 | Invitrogen | A-11057 | جسم مضاد ثانوي يستخدم في تلطيخ الكيمياء المناعية |
| الحمار المضاد للفأر Alexa Fluor 647 | Invitrogen | A-31571 | الجسم المضاد الثانوي المستخدم في التلوين الكيميائي المناعي |
| الحمار المضاد للأرانب Alexa Fluor 488 | Invitrogen | A-21206 | الجسم المضاد الثانوي المستخدم في تلطيخ الكيمياء المناعية |
| مصل الحمار | Sigma-Aldrich | S30-100ML | الارتباط غير المحدد للأجسام المضادة في التلوين الكيميائي المناعي |
| المجهر المضان | Keyence | BZ-9000 | المجهر الفلوري |
| الماعز متعدد النسيلة المضاد ل 5-HT2A< / sub> | سانتا كروز التكنولوجيا الحيوية | sc-15073 | الجسم المضاد الأساسي المستخدم في التلوين الكيميائي المناعي |
| Isoflurane | Pfizer | v002139 | التخدير الاستنشاقي |
| KimWipe | NIPPON PAPER CRECIA | S-200 | قطعة قماش ورقية لتنظيف الأسطح والأجزاء والأدوات في المختبر |
| مانع السوائل | Daido Sangyo | PAP-S | Marker المستخدم في صنع سطح الشريحة طارد للماء |
| ماوس أحادي النسيلة مضاد للنيو (استنساخ A60) | EMD Millipore (Merck) | MAB377 | الجسم المضاد الأساسي المستخدم في تلطيخ الأنسجة الكيميائية المناعية |
| NinjaScan-Light | Switchscience | SSCI-023641 | مقياس التسارع لقياس التسارع |
| مركب OCT | Sakura Finetek | 45833 | عامل تضمين لإعداد أقسام الأنسجة |
| المجمدة إطالة الذهب المضاد للتلاشي حامل | Invitrogen | P36934 | التركيب لمنع يتلاشى الدقيق |
| الأرنب متعدد النسيلة المضاد ل c-Fos | سانتا كروز التكنولوجيا الحيوية | sc-52 | الجسم المضاد الأساسي المستخدم في تلطيخ الكيمياء |
| المناعية صندوق الشريحة | AS ONE | 03-448-1 | صندوق غير شفاف لتخزين الشرائح |
| Spike2 | Cambridge electronic design limited (CED) | N / A | برنامج تطبيق يستخدم لتحليل التسارع |
| فئران Sprague-Dawley | Japan SLC | Slc: SD | Rats المستخدمة في هذه الدراسة |
| آلة المشي | Muromachi | MK-680 | المستخدم في تجارب الجري القسري للفئران والفئران |
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.