European Journal of Neuroscience

Chúng tôi nhận thấy rằng một khoảng thời gian tập thể dục ngắn đã nâng cao chức năng nhận thức trong bài kiểm tra mê cung nước Morris (MWM), đến mức mà các động vật tập thể dục có khả năng học và nhớ vị trí của nền tảng tốt hơn đáng kể so với nhóm kiểm soát ít vận động. Phát hiện rằng tập thể dục làm tăng yếu tố dinh dưỡng thần kinh có nguồn gốc từ não (BDNF), một phân tử quan trọng cho khả năng thay đổi synapse và học tập, đã thúc đẩy chúng tôi xem xét xem liệu cơ chế trung gian BDNF có phục vụ cho khả năng của tập thể dục trong việc cải thiện khả năng học tập phụ thuộc vào hippocampus hay không. Một kháng thể miễn dịch chimeric đặc hiệu (TrkB-IgG), mô phỏng thụ thể BDNF, TrkB, để liên kết chọn lọc với các phân tử BDNF, đã được sử dụng để chặn BDNF trong vùng hippocampus trong khoảng thời gian tập thể dục tự nguyện kéo dài 1 tuần. Sau đó, một bài kiểm tra MWM với 2 lần thử mỗi ngày đã được thực hiện trong 5 ngày liên tiếp, theo sau là một thử nghiệm điểm 2 ngày sau đó. Bằng cách ức chế hoạt động BDNF, chúng tôi đã chặn lại lợi ích của tập thể dục đối với chức năng nhận thức, đến mức khả năng học tập và hồi tưởng của các động vật tập thể dục nhận được thuốc chặn BDNF đã giảm xuống mức của nhóm kiểm soát ít vận động. Việc ức chế hoạt động BDNF cũng đã chặn hiệu ứng của tập thể dục lên các hệ thống bên dưới được điều chỉnh bởi BDNF và quan trọng cho tính dẻo dai synapse, protein liên quan đến phản ứng cAMP (CREB) và synapsin I. Đặc biệt đối với tập thể dục, chúng tôi phát hiện mối tương quan giữa biểu hiện CREB và BDNF và chức năng nhận thức, đến mức mà các động vật học nhanh nhất và có khả năng hồi tưởng tốt nhất cho thấy biểu hiện cao nhất về BDNF và mức độ mRNA CREB liên quan. Những phát hiện này gợi ý một vai trò chức năng của CREB dưới sự kiểm soát của BDNF trong việc trung gian việc nâng cao khả năng học tập và trí nhớ do tập thể dục mang lại. Kết quả của chúng tôi cho thấy rằng synapsin I cũng có thể góp phần vào cơ chế trung gian BDNF này.

Các công trình lý thuyết gần đây đã gợi ý rằng các dao động não trong băng tần theta liên quan đến việc duy trì và hồi phục chủ động các biểu diễn trí nhớ làm việc. Để kiểm tra khung lý thuyết này, chúng tôi đã ghi nhận các phản ứng điện từ não học được từ 10 đối tượng tham gia thực hiện nhiệm vụ Sternberg. Các đối tượng cần phải giữ một danh sách gồm 1, 3, 5 hoặc 7 chữ số được trình bày bằng hình ảnh trong một khoảng thời gian giữ 3 giây. Trong quá trình giữ, chúng tôi đã quan sát thấy hoạt động theta liên tục ở vùng trán trong khoảng tần số 7–8,5 Hz được ghi nhận bởi các cảm biến trên các khu vực não phía trước. Hoạt động trong băng tần theta tăng lên theo tham số với số lượng mục được giữ trong trí nhớ làm việc. Phân tích tần số-thời gian cho thấy rằng dao động theta phụ thuộc vào nhiệm vụ có mặt trong thời gian giữ và trong quá trình quét trí nhớ. Sau nhiệm vụ trí nhớ, hoạt động theta giảm xuống. Những kết quả này gợi ý rằng các dao động theta được tạo ra trong các vùng não phía trước đóng một vai trò chủ động trong việc duy trì trí nhớ.

Các thói quen được kiểm soát bởi các kích thích trước đó hơn là bởi sự mong đợi kết quả. Các chế độ phản hồi theo khoảng thời gian đã được chứng minh là tạo ra thói quen, điều này được thể hiện qua việc hành vi thu được dưới chế độ này không nhạy cảm với các liệu pháp giảm giá trị kết quả. Hai thí nghiệm đã được thực hiện để đánh giá vai trò của vùng striatum lồi bên trong việc học thói quen. Trong Thí nghiệm 1, các con chuột điều khiển giả phẫu và các con chuột có tổn thương vùng striatum lồi bên đã được tập huấn để nhấn một cần gạt để nhận sucrose dưới các chế độ theo khoảng thời gian. Sau khi được huấn luyện, sucrose đã bị giảm giá trị bằng cách gây ra sự ghét vị bằng lithium chloride, trong khi đó các tiêm dung dịch muối được đưa cho các đối tượng điều khiển. Chỉ có các con chuột được điều trị giảm giá trị mới giảm tiêu thụ sucrose và sự giảm này là tương tự ở cả nhóm giả phẫu và nhóm có tổn thương. Tất cả các con chuột sau đó được đưa trở lại buồng thực nghiệm để kiểm tra sự tuyệt chủng, trong đó cần gạt đã được mở rộng nhưng không có sucrose được cung cấp. Không giống như các đối tượng điều khiển giả phẫu, các con chuột có tổn thương vùng striatum lồi bên đã kiềm chế không nhấn cần gạt nếu kết quả bị giảm giá trị. Để đánh giá tính đặc hiệu của vai trò của vùng striatum lồi bên trong tác động này, một thí nghiệm thứ hai đã được thực hiện trong đó một nhóm có tổn thương vùng striatum ở giữa được thêm vào. Liên quan đến cả nhóm giả phẫu và nhóm có tổn thương vùng striatum ở giữa, chỉ có các con chuột có tổn thương vùng striatum lồi bên là giảm phản ứng đáng kể sau khi kết quả bị giảm giá trị. Kết luận, nghiên cứu này cung cấp bằng chứng trực tiếp rằng vùng striatum lồi bên là cần thiết cho việc hình thành thói quen. Hơn nữa, nó gợi ý rằng, khi hệ thống thói quen bị gián đoạn, sự kiểm soát đối với hiệu suất công cụ sẽ trở về với hệ thống điều khiển việc thực hiện các hành động công cụ có định hướng mục tiêu.

Tiến bộ trong lĩnh vực sinh neuron hiện tại bị giới hạn bởi việc thiếu các công cụ cho phép phân tích nhanh và định lượng quá trình sinh neuron trong não trưởng thành. Doublecortin (DCX) gần đây đã được sử dụng như một dấu ấn cho sinh neuron. Tuy nhiên, chưa rõ liệu DCX có thể được sử dụng để đánh giá các biến đổi xảy ra trong tỷ lệ sinh neuron ở hệ thần kinh trung ương của động vật có vú trưởng thành sau khi tổn thương hoặc tác nhân kích thích. Sử dụng hai mô hình làm tăng mức độ sinh neuron (vận động thể chất và cơn động kinh), chúng tôi chứng minh rằng việc định lượng các tế bào biểu hiện DCX cho phép đo chính xác các biến đổi trong tỷ lệ sinh neuron ở người lớn. Quan trọng là, chúng tôi đã loại trừ hiện tượng kích thích biểu hiện DCX trong quá trình gliogenesis sinh lý hoặc phản ứng và cũng loại trừ sự tái biểu hiện DCX trong quá trình tăng trưởng trục thần kinh phục hồi. Dữ liệu của chúng tôi xác nhận DCX là một dấu ấn đáng tin cậy và cụ thể phản ánh mức độ sinh neuron ở người lớn và sự điều chỉnh của nó. Chúng tôi chứng minh rằng DCX là một lựa chọn giá trị thay thế cho các kỹ thuật hiện tại được sử dụng để đo mức độ sinh neuron. Quan trọng là, trái ngược với các kỹ thuật thông thường, phân tích quá trình sinh neuron thông qua việc phát hiện DCX không yêu cầu đánh dấu in vivo cho các tế bào phân chia, từ đó mở ra những hướng mới cho nghiên cứu sinh neuron ở người trong điều kiện bình thường và bệnh lý.

Cannabinoids có thể điều chỉnh hành vi vận động, học tập và trí nhớ, khả năng nhận thức và cảm giác đau. Những hiệu ứng này có mối tương quan với sự biểu hiện của thụ thể cannabinoid 1 (CB1) và với sự hiện diện của các cannabinoids nội sinh trong não. Để có thêm hiểu biết về các cơ chế nền tảng của các hiệu ứng điều chế của cannabinoids, chúng tôi đã xác định các nơ-ron dương tính với CB1 trong nửa não chuột ở độ phân giải một tế bào. Chúng tôi đã thực hiện một nghiên cứu lai ghép in situ kép để phát hiện mRNA của CB1 kết hợp với mRNA của glutamic acid decarboxylase 65k, neuropeptide cholecystokinin (CCK), parvalbumin, calretinin và calbindin D28k, tương ứng. Kết quả của chúng tôi cho thấy các tế bào biểu hiện CB1 có thể được chia thành các quần thể thần kinh riêng biệt. Có một sự phân biệt rõ ràng giữa các nơ-ron chứa mRNA CB1 ở mức cao hoặc mức thấp. Phần lớn các tế bào biểu hiện CB1 cao là các nơ-ron GABAergic (axit γ-aminobutyric) thuộc chủ yếu về loại nơ-ron trung gian dương tính với cholecystokinin và âm tính với parvalbumin (các tế bào giỏ) và, trong một phạm vi thấp hơn, thuộc về các nơ-ron trung gian ức chế dạng nhánh ở giữa gần dương tính với calbindin D28k. Chỉ một phần nhỏ của các tế bào biểu hiện CB1 thấp là GABAergic. Trong hippocampus, amygdala và vùng vỏ thính giác, mRNA CB1 có mặt với mức độ thấp nhưng có ý nghĩa trong nhiều tế bào không GABAergic có thể được coi là các nơ-ron chính. Như vậy, một cơ chế phức tạp dường như nằm dưới các hiệu ứng điều chế của cannabinoids. Chúng có thể tác động lên các vòng chính glutamatergic cũng như điều tiết các vòng ức chế GABAergic cục bộ. CB1 được đồng biểu hiện rất cao với CCK. Được biết rằng cannabinoids và CCK thường có những tác động trái ngược lên hành vi và sinh lý. Do đó, chúng tôi đề xuất rằng có thể tồn tại một sự giao tiếp qua lại giữa cannabinoids và CCK và sẽ liên quan đến việc hiểu rõ hơn về sinh lý và dược lý của hệ thống cannabinoid.

So sánh cấu trúc tế bào của vỏ não trước trán bên bụng ở con người với khỉ macaque cho thấy một vùng ở khỉ có đặc điểm kiến trúc tương tự khu vực 45 ở não người. Vùng này nằm ở phần trên của vỏ não trước trán bên bụng, ngay dưới khu vực 9/46v. Vùng phía trước bên (rostroventral) của khu vực 45 trong não người là một vùng vỏ lớn được Brodmann gọi là khu vực 47. Thành phần bên bụng của vùng này kéo dài đến rãnh ổ mắt bên và có những đặc điểm kiến trúc giống với vùng trước trán bên bụng được Walker xác định là khu vực 12 ở khỉ macaque. Chúng tôi đã xác định vùng này trong cả vỏ não trước trán bên bụng của con người và khỉ macaque là khu vực 47/12. Do đó, khu vực 47/12 chỉ định phần cụ thể của vùng trước đây đã được gán là khu vực 47 trong não người, có cùng mẫu kiến trúc tổng thể với khu vực 12 của Walker trong não khỉ macaque. Các kết nối vỏ não của hai khu vực này đã được khảo sát ở khỉ bằng cách tiêm các dấu vết ngược sáng. Mặc dù khu vực 45 và khu vực 47/12 như được định nghĩa ở đây có đầu vào đa dạng phức tạp, nhưng chúng có thể được phân biệt dựa trên một số đầu vào của chúng. Các dấu vết ngược được hạn chế ở khu vực 47/12 dẫn đến việc đánh dấu mạnh các tế bào thần kinh trong vỏ não liên kết thị giác vùng dưới thái dương trước và trong các vùng limbic thái dương (tức là vỏ não perirhinal và parahippocampal). Ngược lại, việc tiêm các dấu vết vào khu vực 45 sát bên trên cho thấy sự đánh dấu mạnh trong rãnh thái dương trên (tức là vỏ não liên kết thính giác) và khu vực đa phương thức ở bờ trên của rãnh thái dương trên.

Sự tiếp xúc với môi trường phong phú và hoạt động thể chất, chẳng hạn như việc chạy tự nguyện, làm tăng sự tạo sinh tế bào hạt trong hồi hải mã của chuột trưởng thành. Những tác nhân này cũng được biết là cải thiện hiệu suất trong các nhiệm vụ học tập phụ thuộc hồi hải mã, nhưng chưa rõ liệu tác động của chúng đối với sự tạo sinh thần kinh có phải là độc quyền đối với cấu trúc hồi hải mã hay không. Trong nghiên cứu này, chúng tôi nuôi chuột trưởng thành trong ba điều kiện (môi trường phong phú, chạy xe đạp tự nguyện và nhà ở tiêu chuẩn), và phân tích sự gia tăng số lượng tế bào trong thành não thất bên và sự tạo sinh tế bào hạt trong củ khứu giác so với hồi hải mã. Sử dụng bromodeoxyuridine để đánh dấu các tế bào đang phân chia, chúng tôi không phát hiện sự khác biệt nào về số lượng tế bào mới tạo ra trong thành não thất. Khi cho các tế bào mới thời gian di cư và biệt hóa trong củ khứu giác, chúng tôi không quan sát thấy sự thay đổi nào trong số lượng tế bào hạt khứu giác do người lớn tạo ra; tuy nhiên, chạy tự nguyện và sự phong phú sản sinh ra gấp đôi số lượng tế bào hạt hồi hải mã mới. Sự khác biệt giữa củ khứu giác và hồi hải mã cho thấy rằng các điều kiện sống này kích thích cục bộ thông qua một cơ chế chưa xác định cụ thể cho các tín hiệu tạo sinh thần kinh trong hồi hải mã.

Chức năng học tập và trí nhớ suy giảm liên quan đến sự giảm sút quá trình tạo sinh tế bào thần kinh vùng hồi hải mã ở người lớn. Giống như ở con người, căng thẳng mãn tính hoặc trầm cảm ở động vật đi kèm với sự rối loạn chức năng hồi hải mã, và quá trình tạo sinh tế bào thần kinh tương ứng bị điều chỉnh giảm, một phần do hoạt động của trục tuyến yên-hạ đồi-thượng thận cũng như các mạng lưới glutamatergic và serotonergic. Các loại thuốc chống trầm cảm có thể đảo ngược tác động này theo thời gian, nhưng một trong những yếu tố điều tiết hiệu quả nhất lâm sàng đối với căng thẳng hoặc trầm cảm và kích thích mạnh mẽ quá trình tạo sinh tế bào thần kinh là hoạt động thể chất tự nguyện đơn giản như chạy bộ. Thú vị thay, chạy bộ cũng làm tăng nồng độ hormone căng thẳng trong cơ thể nhưng quá trình tạo sinh tế bào thần kinh lại được tăng gấp đôi ở những động vật chạy. Khi đánh giá tín hiệu mà việc chạy cung cấp cho hệ thần kinh trung ương ở chuột, chúng tôi phát hiện rằng yếu tố tăng trưởng nội mô mạch máu ngoại vi (VEGF) là cần thiết cho các tác động của việc chạy đối với quá trình tạo sinh tế bào thần kinh vùng hồi hải mã ở người lớn. Việc chặn VEGF ngoại vi đã làm mất đi quá trình tạo sinh tế bào thần kinh do chạy bộ nhưng không có tác động rõ rệt nào đối với quá trình tạo sinh tế bào thần kinh cơ bản ở các động vật không chạy. Những dữ liệu này gợi ý rằng VEGF là một yếu tố quan trọng trong việc điều tiết thân thể của quá trình tạo sinh tế bào thần kinh ở người lớn và rằng các mạng lưới tín hiệu thân thể này có thể hoạt động độc lập với các mạng lưới điều chỉnh trung tâm mà thường được xem xét trong bối cảnh tạo sinh tế bào thần kinh vùng hồi hải mã.

Hình ảnh cộng hưởng từ chức năng (fMRI) được sử dụng để xác định các vùng não hoạt động trong quá trình thao tác các đối tượng phức tạp. Trong một thí nghiệm, các đối tượng được yêu cầu thao tác các đối tượng phức tạp để khám phá các đặc điểm hình học vĩ mô của chúng so với việc thao tác một đối tượng đơn giản trơn tru (một hình cầu). Trong một thí nghiệm thứ hai, các đối tượng được yêu cầu thao tác các đối tượng phức tạp và thầm đặt tên cho chúng khi nhận diện so với việc thao tác các đối tượng phức tạp không thể nhận diện mà không có sự đặt tên ngầm. Việc thao tác các đối tượng phức tạp đã dẫn đến sự hoạt hóa của vỏ não trí thức trước (BA 44), một vùng ở rãnh parietal (có thể tương ứng với vùng parietal trước ở khỉ), vùng SII và một khu vực của thuỳ parietal trên. Khi các đối tượng được đặt tên ngầm, các hoạt động bổ sung được phát hiện ở phần vòng kín của BA 44 và ở phần tam giác của hồi trán dưới (BA 45). Chúng tôi đề xuất rằng có một vòng tuần hoàn vỏ não trước-parietal cho việc thao tác các đối tượng ở con người và chủ yếu bao gồm những vùng não tương tự như ở khỉ. Nó được đề xuất rằng vùng SII phân tích các đặc điểm nội tại của đối tượng trong khi thuỳ parietal trên liên quan đến cảm giác vận động.

MicroRNA (miRNA) là một loại phân tử RNA nhỏ không mã hóa mới được công nhận, tham gia vào việc kiểm soát phát triển của biểu hiện gen. Chúng tôi đã nghiên cứu sự điều tiết của một bộ miRNA thần kinh có biểu hiện cao trong quá trình phát triển não ở chuột. Kiểm soát tạm thời là một đặc điểm của điều tiết miRNA ở C. elegans và Drosophila, và cũng nổi bật trong não của phôi. Chúng tôi đã quan sát thấy sự khác biệt đáng kể về thời gian bắt đầu và cường độ kích thích giữa các miRNA cá thể. So sánh sự biểu hiện trong các nền văn hóa tế bào thần kinh phôi và tế bào sao, chúng tôi tìm thấy độ cụ thể về dòng tế bào đối với từng miRNA trong nghiên cứu của chúng tôi. Hai miRNA có biểu hiện cao nhất ở não người lớn được biểu hiện ưa thích trong các tế bào thần kinh (mir‐124, mir‐128). Ngược lại, mir‐23, một miRNA trước đây đã được chứng minh liên quan đến sự xác định tế bào thần kinh, chỉ giới hạn ở tế bào sao. mir‐26 và mir‐29 được biểu hiện mạnh hơn ở tế bào sao so với tế bào thần kinh, trong khi những cái khác phân bố tương đối đồng đều (mir‐9, mir‐125). Độ cụ thể về dòng tế bào đã được khám phá thêm bằng cách sử dụng các cấu trúc báo cáo cho hai miRNA có mối quan tâm đặc biệt (mir‐125 và mir‐128). Sự ức chế do miRNA gây ra cho cả hai báo cáo viên đã được quan sát thấy sau khi chuyển gen vào tế bào thần kinh nhưng không ở tế bào sao. MiRNA đã được kích thích mạnh mẽ trong quá trình phân hóa thần kinh của tế bào gốc phôi, cho thấy tính hợp lệ của mô hình tế bào gốc để nghiên cứu sự điều chỉnh miRNA trong phát triển thần kinh.