Resumen
El ejercicio aeróbico mejora la función cognitiva y la neurogénesis del hipocampo adulto. Sin embargo, aún se desconocen los efectos del ejercicio aeróbico combinados con el ejercicio de resistencia sobre la función cognitiva y la neurogénesis del hipocampo adulto. En este estudio, establecimos paradigmas de ejercicio en ratas para imitar el ejercicio aeróbico combinado con ejercicio de resistencia de baja y alta intensidad. Encontramos que el ejercicio aeróbico mejoró el aprendizaje espacial y la memoria, así como la neurogénesis del hipocampo adulto, mientras que el ejercicio de resistencia suprimió las mejoras cognitivas inducidas por el ejercicio aeróbico y la neurogénesis del hipocampo adulto de manera dependiente de la intensidad. Además, los niveles de β-hidroxibutirato (β-HB) y su factor neurotrófico efector inferior del cerebro (BDNF) aumentaron en el grupo de ejercicio aeróbico, y el ejercicio de resistencia alteró los aumentos inducidos por el ejercicio aeróbico en los niveles de ARNm de β-HB y BDNF. Tomados en conjunto, estos resultados demostraron que el ejercicio de fuerza debilitó las mejoras cognitivas inducidas por el ejercicio aeróbico y la neurogénesis del hipocampo adulto en ratas.
Introducción
El ejercicio aeróbico es bien conocido por sus efectos beneficiosos sobre el rendimiento cognitivo (1–4). El ejercicio aeróbico se refiere al uso del metabolismo aeróbico para satisfacer adecuadamente las demandas de energía durante el ejercicio. Este proceso refleja el suministro de oxígeno en la sangre, que es bombeado por el corazón y transportado a los músculos. Aumentar la capacidad de ejercicio aeróbico significa expandir la capacidad del corazón y el sistema cardiovascular para realizar la tarea, suministrando más oxígeno y energía a todo el cuerpo, incluido el cerebro (5).
La neurogénesis del hipocampo adulto es una forma recientemente reconocida de plasticidad cerebral que se ha observado en muchos mamíferos, incluidos los humanos (6). Las células madre neurales en la zona subgranular de la circunvolución dentada del hipocampo (DG) sufren un proceso dinámico, que incluye proliferación, especificación del destino neuronal, migración neuronal e integración sináptica ((7). Estas neuronas recién generadas en el DG contribuyen a la formación de memoria (8) y separación de patrones espaciales (9), mientras que la neurogénesis del hipocampo adulto reducida contribuye a la ansiedad inducida por el estrés y a los comportamientos de tipo depresivo (10). Estudios anteriores han demostrado que el ejercicio aeróbico aumenta la neurogénesis del hipocampo adulto y mejora la función cognitiva (1–4). Estos efectos del ejercicio aeróbico están fuertemente asociados con el factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF), lo que mejora varios aspectos de la neurogénesis del hipocampo adulto, como la proliferación de células madre neurales, la supervivencia neuronal, la arborización dendrítica y la plasticidad sináptica (11–13). El ejercicio de fuerza, o el ejercicio de resistencia, es principalmente anaeróbico Ejercicio, que utiliza la glucólisis anaeróbica como la principal fuente de poder. Curiosamente, el ejercicio de fuerza también aumenta los niveles de BDNF en el suero (14). Sin embargo, si el ejercicio aeróbico combinado con el ejercicio de fuerza puede aumentar aún más la neurogénesis del hipocampo adulto es poco conocido.
Para determinar los efectos del ejercicio aeróbico combinados con el ejercicio de resistencia sobre el rendimiento cognitivo y la neurogénesis del hipocampo adulto, establecimos cuatro paradigmas de ejercicio en ratas: ejercicio aeróbico combinado con ejercicio de resistencia de baja intensidad, ejercicio aeróbico combinado con ejercicio de resistencia de alta intensidad, ejercicio aeróbico como control positivo y la condición sedentaria como control negativo. Encontramos que el ejercicio aeróbico mejoró el rendimiento cognitivo y el aumento de la neurogénesis del hipocampo adulto, mientras que el ejercicio aeróbico combinado con el ejercicio de resistencia de baja o alta intensidad disminuyó estos beneficios. Además, descubrimos que la reducción en estos beneficios puede ser causada por disminuciones en el β-hidroxibutirato (β–Hb) niveles y expresión de BDNF. Tomados en conjunto, estos resultados demuestran que el ejercicio de fuerza regula negativamente las mejoras cognitivas inducidas por el ejercicio aeróbico y la neurogénesis del hipocampo adulto en ratas.
Materiales y métodos
Animales
Cuarenta y ocho ratas wistar machos, de 8 semanas, se alojaron en las instalaciones de la Unidad de Investigación Animal de la Universidad Normal Changchun. La comida y el agua estaban disponibles gratuitamente. La temperatura y la humedad se controlaron a 22 ± 1 ° C y 50 ± 10%, respectivamente. La habitación se mantuvo en una luz de 12:12 horas: ciclo oscuro. Todos los procedimientos se realizaron durante la porción de luz del ciclo. Los experimentos con animales fueron aprobados por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales de la Universidad Normal Changchun.
Capacitación de familiaridad
Las ratas se dividieron aleatoriamente en un grupo sedentario (SED, N = 12) y tres grupos de ejercicios: un grupo de ejercicio aeróbico (AER, N = 12), un ejercicio aeróbico + grupo de ejercicio de resistencia de baja intensidad (AER & LST, N = 12) y un grupo de ejercicio de intensidad aeróbica + grupo de ejercicio de alta intensidad (AER & HST, N = 12). Todas las ratas en los grupos de ejercicios inicialmente realizaron entrenamiento de familiaridad durante 1 semana. Durante este período, las ratas en el grupo AER fueron entrenadas en una cinta de correr de inclinación de 0 grados con un agarre electrificado al final de cada carril a una velocidad de 15 m/min, 5 veces por semana (de lunes a viernes). La duración del ejercicio aumentó gradualmente de 15 minutos a 60 minutos, con un aumento de 15 minutos por día. Las ratas en el grupo AER & LST y el grupo AER & HST realizaron el mismo protocolo que el grupo AER en los primeros tres días de entrenamiento de familiaridad. En el 4th día y los 5th Día, las ratas en estos dos grupos se subieron a la cinta de correr cuesta arriba de la inclinación de 5 grados durante 60 minutos con una carga adicional de 5% de peso corporal y 10% de peso corporal, respectivamente.
Formación formal
Todos los protocolos formales de capacitación se llevaron a cabo en una cinta de correr, 5 veces por semana (de lunes a viernes) durante 8 semanas, con 2 días de recuperación (sábado y domingo). Se permitió que las ratas se calentaran durante 5 minutos a una velocidad de 10 m/min antes de cada régimen de entrenamiento. Cada régimen de entrenamiento incluía dos sesiones y 5 minutos de descanso. A continuación se presentan más detalles sobre cada régimen de capacitación.
El régimen AER contenía dos sesiones de entrenamiento idénticas. Los parámetros de cada sesión de entrenamiento fueron los siguientes: la velocidad de carrera fue de 15 m/min; La inclinación del cinturón era de 0 grados; y la duración del ejercicio fue de 30 minutos. Hubo un descanso de 5 minutos entre las dos sesiones de entrenamiento.
El régimen AER & LST incluyó sesiones de ejercicio aeróbico y sesiones de ejercicio de resistencia de baja intensidad. Los parámetros de la sesión de ejercicio aeróbico fueron los mismos que los descritos para el régimen AER. Sin embargo, en la sesión de entrenamiento de baja intensidad, una bolsa de carga se fijó en la parte baja de cada rata como una carga adicional. La carga adicional se decidió por el peso corporal medio de todas las ratas en el grupo AER & LST, que se registró cada lunes. En este grupo, la carga adicional fue del 5% de peso corporal. La inclinación de la cinta de correr se mantuvo a 5 grados constantes cuesta arriba. La velocidad de carrera fue de 15 m/min. La duración del ejercicio fue de 30 minutos. También hubo un descanso de 5 minutos entre la sesión de ejercicio aeróbico y la sesión de ejercicio de fuerza de baja intensidad.
El protocolo AER & HST fue el mismo que el protocolo AER & HST, excepto la carga adicional. La carga adicional en el grupo AER y HST se incrementó al 10% de peso corporal.
Medición del nivel de ácido láctico en sangre
Se usó ácido láctico en sangre para cuantificar la intensidad del ejercicio. La cinta de correr con una carga con una carga se usó para simular el ejercicio de resistencia. Las muestras de sangre se recogieron a través del canto del ojo inmediatamente después del primer día formal de entrenamiento. Las ratas en el grupo SED no fueron sometidas a ningún ejercicio físico. Pasaron todo el período en sus propias jaulas. Se recogieron muestras de sangre de la misma manera. Se usaron tiras de prueba para medir la concentración de ácido láctico en sangre con la ayuda de un analizador de exploradores de lactato (EKF, Cardiff, Reino Unido).
Peso muscular de todo el cuerpo y medición de peso muscular de la extremidad posterior
El peso muscular de todo el cuerpo normalizado y el peso muscular de la extremidad posterior se usaron para evaluar la efectividad del ejercicio de fuerza. Las ratas se anestesiaron con una sola inyección intraperitoneal de pentobarbital de sodio después de dos meses de entrenamiento formal. El peso corporal de las ratas se midió por una escala electrónica. El músculo general y regional se analizó con un sistema del absorptiómetro de rayos X de doble energía (DXA) (Norland XR-800, Fort Atkinson, WI, EE. UU.). Luego, el porcentaje de músculo de todo el cuerpo y el porcentaje del músculo de la extremidad posterior se calcularon para el análisis.
Laberinto de agua de Morris
El laberinto de agua de Morris se utilizó para evaluar el aprendizaje espacial y la memoria. Se probaron ocho ratas de cada grupo en un tanque de laberinto de agua negra (1,6 m de diámetro) 24 horas después del ejercicio. El tanque se llenó con agua (25 ± 2 ° C) a una profundidad de aproximadamente 8 cm debajo del borde del tanque. Las ratas se secaron con toallas y aire caliente entre bloques y antes de ser devueltos a sus jaulas de origen.
Durante la sesión de entrenamiento, las ratas fueron entrenadas para encontrar la plataforma oculta, con 4 pruebas por día durante 6 días. Se ocultó una plataforma a 2 cm debajo de la superficie del agua en el centro de los 3rd cuadrante. Los puntos de partida se cambiaron aleatoriamente todos los días. Cada prueba duró hasta que las ratas encontraron la plataforma o por un máximo de 90 s. Las ratas que no pudieron localizar y subir a la plataforma dentro de los 90 s fueron guiadas a la plataforma por el experimentador antes de ser retiradas del laberinto. Al final de cada prueba, las ratas se mantuvieron en la plataforma para 5 s para permitirles recordar la ubicación y luego se secaron con una toalla y se colocaron bajo una lámpara de 37 ° C entre las pruebas. El tiempo para llegar a la plataforma (latencia) y la velocidad de natación fueron grabadas automáticamente mediante un sistema de seguimiento de video. Para medir la tasa de adquisición, la latencia para llegar a la plataforma se promedió en las cuatro pruebas cada día.
Durante la prueba de sonda en el 7th Día, se eliminó la plataforma. Todas las ratas se dejaron caer en el mismo punto de partida y se les permitió navegar por el laberinto durante 90 s. El número de veces que la rata nadó a través de la plataforma virtual y el tiempo dedicado al cuadrante de la plataforma fueron grabados por el sistema de seguimiento de video.
Etiquetado de bromodeoxiuridina
Ocho ratas de cada grupo fueron inyectadas intraperitonealmente con bromodeoxiuridina de 10 mg/ml (BRDU) después de la prueba de laberinto de agua Morris. Se realizaron un total de 4 inyecciones por rata dentro de las 12 horas (intervalo 4 horas entre dos inyecciones). La dosis de brdu fue de 50 mg kg-1 (total 200 mg kg-1) Peso corporal para etiquetar las células divisorias. Doce horas después de la última inyección de Brdu, las ratas se anestesiaron y perfundieron con PBS y paraformaldehído al 4% (PFA). Los cerebros se diseccionaron inmediatamente y se fijaron en PFA al 4% a 4 ° C durante 24 horas.
Procesamiento de tejidos, inmunotinción, imagen confocal y recuento de células
Las secciones coronales (40 μm de espesor) se cortaron a través de todo el DG del hipocampo izquierdo o derecho (aleatorizado) con un vibratomo (Leica VT 1000 S). Todas las secciones cerebrales se recogieron secuencialmente en una placa de 6 pocillos, que se llenó con solución de crioprotectante (sacarosa al 30% + etilenglicol en tampón de fosfato 0.1 M, pH 7.4). Las muestras se almacenaron a -20 ° C hasta la tinción.
Las secciones se incubaron primero con 2 N HCl a temperatura ambiente durante 1 hora. Posteriormente, las secciones se neutralizaron con tampón de borato 0.1 M y luego se incubaron con un anticuerpo anti-BRDU de rata (1: 100, Corporación Científica y Química precisa, Westbury, NY, EE. UU.) A 4 ° C durante la noche. Después de un lavado extenso, las secciones se incubaron con un anticuerpo secundario anti-RAT de burro conjugado con Alexa 488 (sondas moleculares) a temperatura ambiente durante 2 horas. La inmunotinción KI67 se realizó con un anticuerpo anti-Ki67 de conejo (1: 200, Thermo Fisher Scientific, Rockford, IL, EE. UU.) Y un anticuerpo secundario anti-conejo de burro de Alexa 555 (1: 200, Thermo Fisher Scientific, Rockford, IL, EE. UU.).
Las imágenes fueron capturadas utilizando un microscopio confocal Olympus FV1000 Viewer (Tokio, Japón). Cada 6th La sección en todo el DG se analizó para detectar el número de células BRDU+ y células Ki67+, que fueron contadas por un investigador que fue cegado al tratamiento.
