Departamentul de afiliere pentru psihiatrie, Facultatea de Medicină, Universitatea din California San Diego, La Jolla, California, Statele Unite ale Americii

spațială

Departamentul de afiliere pentru pediatrie, Facultatea de Medicină, Universitatea din California San Diego, La Jolla, California, Statele Unite ale Americii

Departamentul de afiliere Radiologie, Facultatea de Medicină, Universitatea din California San Diego, La Jolla, California, Statele Unite ale Americii

Departamentul de afiliere pentru medicină de familie și sănătate publică și medicină internă, Facultatea de Medicină, Universitatea din California San Diego, La Jolla, California, Statele Unite ale Americii

Departamentul de afiliere pentru medicină de familie și sănătate publică și medicină internă, Facultatea de Medicină, Universitatea din California San Diego, La Jolla, California, Statele Unite ale Americii

Departamentul de afiliere pentru medicină de familie și sănătate publică și medicină internă, Facultatea de Medicină, Universitatea din California San Diego, La Jolla, California, Statele Unite ale Americii

Departamentul de psihiatrie al afilierilor, Facultatea de Medicină, Universitatea din California San Diego, La Jolla, California, Statele Unite ale Americii, Institutul de cercetare privind îmbătrânirea Sam și Rose Stein, Școala de Medicină, Universitatea din California San Diego, La Jolla, California, Statele Unite ale Americii

Departamentul de psihiatrie al afilierilor, Facultatea de Medicină, Universitatea din California San Diego, La Jolla, California, Statele Unite ale Americii, Institutul de cercetare privind îmbătrânirea Sam și Rose Stein, Școala de Medicină, Universitatea din California San Diego, La Jolla, California, Statele Unite ale Americii

Departamentul de afiliere pentru psihiatrie, Facultatea de Medicină, Universitatea din California San Diego, La Jolla, California, Statele Unite ale Americii

  • James P. Kesby,
  • Jane J. Kim,
  • Miriam Scadeng,
  • Gina Woods,
  • Deborah M. Kado,
  • Jerrold M. Olefsky,
  • Dilip V. Da,
  • Cristian L. Achim,
  • Svetlana Semenova

Cifre

Abstract

Citare: Kesby JP, Kim JJ, Scadeng M, Woods G, Kado DM, Olefsky JM și colab. (2015) Cogniția spațială la șoarecii adulți și vârstnici expuși la o dietă bogată în grăsimi. PLOS ONE 10 (10): e0140034. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0140034

Editor: Brenton G. Cooper, Texas Christian University, STATELE UNITE

Primit: 7 iulie 2015; Admis: 21 septembrie 2015; Publicat: 8 octombrie 2015

Disponibilitatea datelor: Toate datele relevante se găsesc în lucrare.

Finanțarea: Această lucrare a fost susținută de subvenții NIMH (R01 MH094151 și T32 MH019934 către DVJ), Institutul Sam și Rose Stein pentru Cercetări privind Îmbătrânirea (toți autorii), Centrul de Cercetare SIDA Transfață Metamfetamină NIDA (TMARC P50 DA26306 către SS și CLA), Subvenții NIH (DK075479 și DK97412 către JJK; DK063491, DK074868 și DK054441 către JMO) și de către Bursa de cercetare interdisciplinară în NeuroAIDS (IRFN, R25MH081482 la JPK). Finanțatorii nu au avut niciun rol în proiectarea studiului, colectarea și analiza datelor, decizia de publicare sau pregătirea manuscrisului. JPK, JJK, MS, GW, DMK, JMO, DVJ, CLA și SS nu au nimic de dezvăluit.

Interese concurente: Autorii au declarat că nu există interese concurente.

Introducere

O consecință obișnuită, dar nu inevitabilă a îmbătrânirii este o scădere treptată a abilităților cognitive. Deficiențele cognitive legate de vârstă depind de domenii cognitive specifice, unele scăzând, în timp ce altele rămân stabile [1]. Având în vedere că nu toți adulții în vârstă au deficite cognitive, determinarea factorilor care pot facilita cel mai bine menținerea abilităților cognitive cu vârsta este de interes și considerată printre cele mai importante aspecte ale îmbătrânirii cu succes [2,3]. Cogniția spațială este deosebit de sensibilă la declinul cognitiv legat de vârstă [4], cu deficite legate de vârstă raportate în învățarea spațială și în memorie și învățarea inversă [5,6].

Expunerea la factorii de stres de mediu poate fi un factor determinant în sensibilitatea diferențială la declinul cognitiv legat de vârstă [7]. În plus, prevalența crescândă a obezității poate exacerba declinul cognitiv legat de vârstă. O revizuire sistematică a studiilor longitudinale bazate pe populație sugerează că obezitatea la vârsta mijlocie este asociată cu o funcționare cognitivă scăzută în viața ulterioară [7]. Cu toate acestea, asocierea dintre obezitate la sfârșitul vieții și abilitățile cognitive rămâne neconcludentă [8]. În mod similar, studiile folosind modele de rozătoare indică faptul că vârsta animalelor atunci când este expusă la o dietă bogată în grăsimi (HFD) este importantă pentru dezvoltarea tulburărilor cognitive. De exemplu, șoarecii juvenili [9,10] și șoarecii în vârstă [11,12] par mai sensibili la deficiențele induse de HFD în învățare și memorie, comparativ cu șoarecii adulți.

Efectele sistemice ale expunerii la HFD, precum creșterea masei grase, rezistența la insulină și disfuncția metabolică generală au fost identificate ca factori care pot duce la afectarea funcției cognitive [13]. De exemplu, niveluri mai mari de grăsime viscerală au fost asociate cu afectări ale funcționării executive a adolescenților [14]. Mai mult decât atât, persoanele cu niveluri mai ridicate de insulină la post prezintă un risc mai mare de a dezvolta boala Alzheimer [15]. Studiile la animale sugerează că afectările funcției cognitive după expunerea la HFD sunt asociate cu creșterea inflamației cerebrale [16] și a stresului oxidativ [11] care pot fi consecințe indirecte ale disfuncției metabolice sistemice. Important, creierul îmbătrânit este considerat a fi deosebit de sensibil la aceste aspecte ale expunerii la HFD [11,13].

Scopul prezentului studiu a fost de a caracteriza deficiențele legate de vârstă în cogniția spațială și impactul expunerii la un factor de stres al mediului, HFD. Am emis ipoteza că funcția cognitivă spațială ar fi afectată la șoarecii în vârstă în comparație cu șoarecii adulți mai tineri. Mai mult, expunerea la HFD ar induce disfuncții metabolice sistemice și ar agrava sau accelera tulburările cognitive spațiale la șoarecii în vârstă și, respectiv, la șoareci adulți. Pentru a determina efectele sistemice ale expunerii la HFD am examinat consumul de alimente, conținutul de masă grasă și nivelurile de insulină/glucoză în repaus alimentar. Testarea comportamentală a inclus activitate locomotorie, comportament asemănător anxietății în testul cutiei de lumină-întuneric, discriminarea obiectelor și a locurilor în sarcinile noi de recunoaștere a obiectului/locului și învățarea spațială, memoria și învățarea inversă în testul labirintului Barnes. Rezultatele studiilor prezente au demonstrat că, deși expunerea la HFD a indus disfuncții metabolice sistemice clare și îmbătrânirea a dus la afectarea cogniției spațiale, expunerea la HFD nu a afectat în continuare funcția cognitivă spațială la șoareci adulți sau vârstnici.

Materiale și metode

Animale

Prezentul studiu a utilizat un total de 63 de șoareci masculi C57BL/6N (Taconic Biosciences Inc., Taconic Farms Inc., Hudson, NY, SUA), cuprinzând două grupe de vârstă: adult (5 luni) și în vârstă (15 luni, fost crescători). Șoarecii în vârstă aveau vârsta de 18-19 luni în timpul testării comportamentale pentru a se asigura că deficiențele detectate în învățarea spațială nu au fost atribuite pierderii vederii, mirosului și auzului. Șoarecii au fost găzduiți singuri pe durata studiului într-un centru pentru animale controlat de umiditate și temperatură pe un ciclu de lumină inversă/întuneric de 12 h/12 h (luminile stinse la 7:00 AM) cu acces ad libitum la alimente și apă. Testarea comportamentală a fost efectuată în timpul fazei întunecate a ciclului lumină/întuneric. Toate experimentele au fost efectuate în conformitate cu liniile directoare ale Asociației Americane pentru Acreditarea Îngrijirii Animalelor de Laborator și ale Ghidului Consiliului Național de Cercetare pentru Îngrijirea și Utilizarea Animalelor de Laborator și aprobate de către Comitetul instituțional de îngrijire și utilizare a animalelor din San Diego de la Universitatea din California. (Protocolul S06137).

Cronologie experimentală

Atât adulții (5 luni), cât și șoarecii în vârstă (15 luni) au fost separați în două grupuri (n = 15-16 per grup) și plasați pe o dietă de control (CD; Teklad Diets 8604: 32% proteine, 14% grăsimi, 54% carbohidrați) sau un HFD (Research Diets D12492: 20% proteine, 60% grăsimi, 20% carbohidrați). Acest HFD a fost utilizat în mod obișnuit pentru a induce obezitatea și a produs rezistență la insulină [17] și a raportat că exacerbează declinul cognitiv la șoarecii în vârstă [16]. Consumul de alimente a fost evaluat prin cântărirea aportului zilnic de alimente timp de trei zile după două luni pe HFD și înainte de testarea comportamentală (la trei luni de la începutul HFD). Testarea comportamentală a fost finalizată în următoarea ordine: testul cutiei lumină-întuneric, activitatea locomotorie, testele de recunoaștere a obiectelor/locurilor și testul labirintului Barnes. După finalizarea labirintului Barnes, șoarecii adulți (9-10 luni) și vârstnici (19-20 luni) au fost testați pentru conținutul de masă grasă folosind imagistica prin rezonanță magnetică, sensibilitatea la insulină și toleranța la glucoză pentru a confirma efectele fiziologice sistemice ale HFD.

Test cutie lumină-întuneric

Testul cutiei de lumină-întuneric a fost efectuat așa cum s-a descris anterior [18]. Trei camere au fost folosite pentru testul cutiei de lumină-întuneric (San Diego Instruments, San Diego, CA, SUA). Fiecare cameră a fost formată din două compartimente: un compartiment întunecat (16 × 21 × 33 cm) și un compartiment luminos (26 × 21 × 33 cm) care au fost separate de un separator care a lăsat un spațiu orizontal de 5 cm pentru ca mouse-ul să se miște de la unul compartiment la celălalt. Intensitatea luminii în mijlocul compartimentului pentru lumină a fost de aproximativ 900 lux (așa cum se utilizează în labirintul Barnes, vezi mai jos). În compartimentul întunecat, nivelul de iluminare era

4 lux. Șoarecii au fost așezați în compartimentul întunecat, cu capul îndreptat în afara compartimentului luminos și a început testul de 5 minute. S-a înregistrat timpul total petrecut în compartimentul de lumină și latența până la prima tranziție către compartimentul de lumină (± 2,5 s).

Test de activitate locomotorie

Activitatea locomotorie a fost evaluată în patru arene în câmp deschis (60 x 60 cm) echipate cu grinzi infraroșii (Med Associates, St. Albans, VT, SUA) pentru a calcula distanța totală parcursă. Șoarecii au fost testați în întuneric timp de 60 de minute.

Teste de recunoaștere a obiectelor și locurilor

Testul labirintului Barnes

Testarea labirintului Barnes a fost efectuată similar cu cea descrisă anterior [18]. Labirintul consta dintr-un disc alb, acrilic, circular (90 cm diametru) care a fost ridicat la 90 cm deasupra podelei, cu 20 de găuri la fel de distanțate (San Diego Instruments) cu o cutie de evacuare acrilică neagră (20 × 5 × 6 cm) plasată sub una dintre găuri. Labirintul a fost înconjurat de patru indicii spațiale la înălțimea labirintului. Iluminarea în centrul labirintului a fost de aproximativ 900 lux. Labirintul a fost rotit cu 90 de grade în fiecare zi pentru a evita utilizarea indicilor locali pe labirint de către șoareci.

Încercări de achiziție.

Fiecare șoarece a suferit 20 de teste de achiziție pe parcursul a 5 zile, testate de patru ori cu un interval inter-proces de 10-15 min. Imediat înainte de primul studiu, toți șoarecii au fost plasați individual în tunelul de evacuare timp de 1 min pentru a evita orice răspuns neofob. În timpul testării, șoarecii au fost așezați într-un cilindru de pornire (10 cm diametru) în centrul labirintului timp de 30 de secunde. Cilindrul a fost apoi îndepărtat, iar șoarecelui i s-a permis să exploreze arena pentru a găsi tunelul de evacuare. Procesul s-a încheiat când șoarecele a intrat în tunelul de evacuare (adică când toate cele patru labe au părăsit labirintul). Când mouse-ul a intrat în tunelul de evacuare, intrarea a fost blocată, iar mouse-ul a fost lăsat în tunel timp de 1 min. Dacă mouse-ul nu a găsit sau a intrat în tunelul de evacuare în decurs de 3 minute, atunci a fost introdus manual în tunelul de evacuare.

Probe trial.

Procesul de probă de 3 minute a fost efectuat în ziua 6 și a fost identic cu probele de achiziție, cu excepția că tunelul de evacuare a fost eliminat.

Păstrarea memoriei.

La două săptămâni după testul sondei, șoarecii au fost testați pentru păstrarea memoriei în patru studii identice cu studiile de achiziție.

Învățarea inversă.

Timp de două zile după testele de păstrare a memoriei, șoarecii au fost testați pentru învățarea inversă. Fiecare zi a constat din patru probe identice cu probele de achiziție, dar locația tunelului de evacuare pentru fiecare șoarece a fost deplasată cu 180 °.

Măsuri comportamentale.

Toate comportamentele au fost punctate din fișiere video de către un experimentator care era orb de condițiile experimentale și de ipotezele studiului. Măsurile evaluate au fost latența de a găsi gaura țintă, numărul de erori de referință, numărul de erori de memorie de lucru și numărul de erori perseverente. Erorile de referință au fost definite ca orice inspecție incorectă a găurilor. Erorile de memorie de lucru au fost definite ca fiind căutarea în aceeași gaură de două ori în cadrul unei încercări, atunci când revizuirea a avut loc după inspecția altor găuri. Erorile perseverente au fost definite ca căutări repetate ale aceleiași găuri, fără a căuta o altă gaură între ele. Strategia de căutare a fost, de asemenea, evaluată în studiile de achiziție, păstrare și inversare. Strategia de căutare a fost definită ca una dintre cele trei categorii; aleatoriu/mixt, serial și spațial. O strategie spațială a fost definită ca găsirea găurii țintă direct sau după inspectarea mai întâi a uneia dintre găurile adiacente (având astfel maximum o eroare de referință). Aleatoriu/mixt (Tabelul 1. Efectele vârstei și ale dietei asupra greutății (g) și creșterii în greutate (% din valoarea inițială).

Consumul de alimente și masa grasă

Consumul de alimente și aportul de calorii au fost măsurate după 2 luni, fie pe CD, fie pe HFD. A fost observat un profil similar de creștere în greutate (Fig. 1A) cu cel de la trei luni (vezi secțiunea 3.1). Au existat efecte principale semnificative ale vârstei (F1.59 = 28.8, p Fig. 1. Creșterea în greutate, consumul de alimente și efectele fiziologice ale îmbătrânirii și expunerii la o dietă bogată în grăsimi.

Durata (duratele) în compartimentul pentru lumină (A) și latența pentru a intra în compartimentul de lumină (B) în testul cutiei de lumină-întuneric (LDB) și distanța totală parcursă după 60 de minute în câmp deschis (C) la șoareci adulți și vârstnici pe o dietă de control (CD) sau dietă bogată în grăsimi (HFD). Șoarecii adulți de pe HFD au petrecut mai puțin timp în compartimentul luminos decât toate celelalte grupuri, dar nu au fost observate diferențe în latența de a intra în compartimentul luminos. Au existat efecte principale semnificative atât ale vârstei, cât și ale dietei asupra distanței totale parcurse, cu șoareci în vârstă care călătoresc mai puțin decât șoareci adulți și șoareci pe HFD care călătoresc mai puțin decât șoareci pe dieta CD. Datele sunt exprimate ca medie ± SEM. * p Fig 3. Efectele îmbătrânirii și expunerii la o dietă bogată în grăsimi asupra obiectelor noi și a memoriei de recunoaștere a locului roman.

Obiect nou (A) și locul roman (B) sarcini de recunoaștere la șoareci adulți și vârstnici pe dietă de control (CD) sau dietă bogată în grăsimi (HFD). Șoarecii în vârstă au prezentat o performanță de loc nou afectată comparativ cu șoarecii adulți, reflectată de un indice de discriminare similar ([roman - familiar]/total) în faza de familiarizare comparativ cu faza de testare a sarcinii. Nu au fost evidente efecte semnificative ale HFD. Datele sunt exprimate ca medie ± SEM. *** p Fig 4. Efectele îmbătrânirii și expunerii la o dietă bogată în grăsimi asupra cunoașterii spațiale în labirintul Barnes.

Latență medie (A, E, eu), erori de referință (B, F, J), erori de memorie de lucru (C, G, K) și erori perseverente (D, H, L) de către șoareci adulți și vârstnici pe dietă martor (CD) și dietă bogată în grăsimi (HFD) în zilele de achiziție a labirintului Barnes (a1-a5), ziua de retenție (Ret) și zilele de învățare inversă (Rv1-Rv2). În panourile de date de sus pentru toate grupurile sunt afișate, în timp ce în panourile din mijloc și din partea de jos datele sunt restrânse pentru vârstă și, respectiv, pentru dietă. Șoarecii în vârstă au avut o performanță mai slabă decât șoarecii adulți în zilele de achiziție, reflectat de creșterea latențelor (E) și toate erorile (referință (F), memorie de lucru (G) și perseverent (H)). Șoarecii cu HFD au avut tendința de a face mai multe erori în ziua 4 a încercărilor de achiziție (K, L). Datele sunt exprimate ca medie ± SEM. * p Fig 5. Efectele îmbătrânirii și expunerii la o dietă bogată în grăsimi asupra utilizării strategiei spațiale în labirintul Barnes.