تأثیر یک دوره تمرین هوازی و زندگی در محیط غنی‌سازی‌شدۀ حرکتی بر حافظۀ فضایی و عامل نوتروفیک مشتق از مغز در بافت هیپوکمپ موش‌های صحرایی مادۀ نژاد ویستار سالمند مبتلا به آلزایمر

عبدالله زاده نوبجاری, مژگان; عبدلی, بهروز; فیاض میلانی, رعنا

doi:10.48308/joeppa.2024.234525.1221

تأثیر یک دوره تمرین هوازی و زندگی در محیط غنی‌سازی‌شدۀ حرکتی بر حافظۀ فضایی و عامل نوتروفیک مشتق از مغز در بافت هیپوکمپ موش‌های صحرایی مادۀ نژاد ویستار سالمند مبتلا به آلزایمر

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

¹ گروه علوم شناختی، رفتاری و فناوری در ورزش، دانشکدۀ علوم ورزشی و تندرستی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

² گروه علوم زیستی در ورزش، دانشکدۀ علوم ورزشی و تندرستی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

10.48308/joeppa.2024.234525.1221

چکیده

زمینه و هدف: تأثیر تمرین و محیط غنی بر برخی سازوکارهای درگیر در بیماری آلزایمر به‌خوبی شناخته نشده است. ازاین‌رو هدف از این تحقیق بررسی تأثیر یک دوره تمرین هوازی و زندگی در محیط غنی‌سازی‌شدۀ حرکتی بر حافظۀ فضایی و عامل نوتروفیک مشتق از مغز در بافت هیپوکمپ موش‌های صحرایی مادۀ نژاد ویستار سالمند مبتلا به آلزایمر بود.
مواد و روش‌ها: در این تحقیق تجربی 30 رأس موش صحرایی مادۀ نژاد ویستار سالمند 21 ماهه و با میانگین وزنی 20±260 گرم در شش گروه، کنترل-سالم، آلزایمر، گروه شم، آلزایمر + تمرین هوازی (تردمیل)، آلزایمر + محیط غنی، آلزایمر + محیط غنی‌شده + تمرین هوازی (تردمیل) قرار گرفتند. موش‌ها در هفتۀ اول و دوم دو جلسۀ 15 دقیقه‌ای با استراحت غیرفعال پنج‌دقیقه‌ای با سرعت 10 متر در دقیقه، در هفتۀ سوم سه جلسه با سرعت 15 متر در دقیقه با استراحت پنج‌دقیقه‌ای و در هفتۀ چهارم چهار جلسه با سرعت 15 متر بر ثانیه با استراحت پنج‌دقیقه‌ای در روز به تمرین پرداختند. در گروه محیط غنی‌سازی‌شدۀ حرکتی حیوانات در یک جنس پلکسی گلاس بزرگ‌تر از قفس استاندارد به ابعاد (60×50×70 cm³) نگهداری شدند. در این قفس‌ها وسایلی مانند نردبان (سطح شیبدار)، لوله‌های توخالی، بلوک‌های چوبی و اسباب‌بازی‌های پلاستیکی قرار داده شد. در گروه‌های آلزایمر موش‌ها به‌وسیلۀ تزریق کتامین (80 میلی‌گرم بر کیلوگرم) و زایلازین (20 میلی‌گرم بر کیلوگرم ) به‌صورت درون‌صفاقی بی‌هوش شدند. سپس با تزریق‌های داخل‌بطنی مغزی (10μg/rat) Aβآلزایمر القا شد. حافظۀ فضایی با آزمون ماز آبی موریس، BDNF و Trk-Bبه روش وسترن بلات اندازه‌گیری شدند. در مطالعۀ مقدماتی به‌منظور ارزیابی حافظة فضایی موش‌ها یک هفته پس از تزریق بتاآمیلویید تمامی موش‌ها در دو گروه آلزایمر و کنترل قرار گرفتند. موش‌ها طی چهار روز در ماز آموزش دیدند و میانگین درصد ماندگاری در محدودۀ سکو تعیین شد. آزمون تی مستقل نشان داد تفاوت معناداری در گروه کنترل و آلزایمر وجود دارد (0152/0=P)، بنابراین یک هفته پس از تزریق داخل هیپوکمپی بتاآمیلویید، حافظۀ فضایی در موش‌ها دچار اختلال شد. برای تجزیه‌وتحلیل داده‌ها از آزمون آنالیز واریانس یک‌راهه همراه با آزمون تعقیبی توکی (05/0>P) استفاده شد.
نتایج: متغیر BDNF در تمامی گروه‌ها افزایش یافت. به‌جز گروه‌های کنترل-شم (27/0=P)، آلزایمر-آلزایمر هوازی (0.20=P)، در تمامی گروه‌ها معنادار بود. متغیر Trk-Bدر تمامی گروه‌ها افزایش یافت. به‌جز کنترل-شم (22/0=P ) آلزایمر هوازی-آلزایمر محیط غنی (32/0=P) در تمامی گروه‌ها معنی‌دار بود. و متغیر حافظه فقط در گروه‌های آلزایمر-کنترل (02/0=P) و آلزایمر-آلزایمر محیط غنی تمرین هوازی (001/0>P) معنادار بودند.
نتیجه‌گیری: بر اساس یافته‌های پژوهش می‌توان نتیجه گرفت که تمرینات هوازی و زندگی در محیط غنی‌شدۀ حرکتی از طریق افزایش عوامل نوتروفیک و گیرندۀ آنها می‌تواند بر حافظۀ فضایی موش‌های آلزایمری سالمند مؤثر باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

فیزیولوژی ورزشی (عمومی)

عنوان مقاله [English]

The effect of aerobic exercise along with living in enriched environment on spatial memory and brain-derived neurotrophic factor in the Hippocampal tissue of Elderly female Wistar rats with Alzheimer's disease

نویسندگان [English]

Mozhgan Mozhgan Abdullahzadeh Nobejari ¹
Behrouz Abdoli ¹
Rana Rana Fayaz Milani ²

¹ Department of Cognitive, Behavioral and Technology in Sports, Faculty of Sports Sciences and Health, Shahid Beheshti University,Tehran, Iran

² Department of Biological Sciences in Sport, Faculty of Sports Sciences and Health, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

چکیده [English]

Background and Purpose: The effect of physical activity and living in enriched environment on some cognitive mechanisms in Alzheimer's disease (AD) is not yet well understood. Therefore, this study aimed to investigate the effect of aerobic training along with enriched environment on spatial memory and brain-derived neurotrophic factor in the Hippocampal tissue of elderly female Wistar rats with Alzheimer's disease.
Materials and Methods: In this experimental study, 30 elderly female Wistar rats with twenty-one-month-old and average weight of 260±20 grams were used and divided into 6 groups: control-healthy, Alzheimer's, sham group, Alzheimer's + aerobic exercise (treadmill), Alzheimer's + enriched environment, Alzheimer's + enriched environment + aerobic exercise (treadmill). Rats in the training groups performed two 15-min sessions with 5-minute passive rest at a speed of 10 m/min in the first and second weeks. In the third week, they performed three sessions at a speed of 15 m/min with a 5-min break, and in the fourth week, four sessions per day at a speed of 15 m/min with a 5-min break. In the enriched environment group, the animals were kept in a plexiglass material larger than the standard cage (60×50×70 cm³). In these cages, devices such as ladders, hollow pipes, wooden blocks and plastic toys were placed. In Alzheimer's groups, rats were anesthetized by intraperitoneal injection of ketamine (80 mg/kg) and xylazine (20 mg/kg). Then, Alzheimer's Aβ was induced by intracerebroventricular injections (10μg/rat). Spatial memory was measured by Morris water maze, barin derived neurotrophic factor (BDNF) and Trk-B by western blot. In a pilot study in order to evaluate the spatial memory of rats, one week after beta-amyloid injection, all rats were divided into Alzheimer's and control groups. Rats were trained in the maze for four days and the mean percentage permanence in the platform area was recorded. The results of the independent t-test showed that there is a significant difference between the control group and Alzheimer's group (P=0.0152). Therefore, One-way analysis of variance with Tukey's post-hoc test (P<0.05) were used to analyze the data.
Results: BDNF increased in all groups significantly (P<0.001), and comparisons between groups were significant except for control vs sham (P=0.27) and Alzheimer's vs Aerobic Alzheimer's (P=0.20) groups. Trk-B increased in all groups and between-group comparisons were significant except for control vs sham (P=0.22), aerobic Alzheimer's vs Alzheimer's enriched environment (P=0.32). However, for spatial memory only between-group comparisons for Alzheimer's vs control (P=0.02), and Alzheimer's vs Alzheimer's + enriched environment + aerobic training (P<0.001) groups were significant.
Conclusion: Based on the findings, it can be concluded that aerobic exercise and living in enriched environment can be effective on the spatial memory of elderly Alzheimer's rats through the increase of neurotrophic factors.

کلیدواژه‌ها [English]

Aerobic Exercise
Alzheimer
Enriched Eenvironment
Memory
BDNF
Elderly

مراجع

1. Khodadadegan MA, Negah SS, Saheb M, Gholami J, Arabi MH, Hajali V. Combination effect of exercise and environmental enrichment on cognitive functions and hippocampal neurogenesis markers of rat. Neuroreport. 2021;32(15):1234-40.
2. Nandi A, Counts N, Chen S, Seligman B, Tortorice D, Vigo D, et al. Global and regional projections of the economic burden of Alzheimer's disease and related dementias from 2019 to 2050: A value of statistical life approach. EClinicalMedicine. 2022;51.
3. Hedayatjoo M, Doost MT, Vahabi Z, Akbarfahimi M, Khosrowabadi R. Comparison of Cognitive Functions Between Patients with Alzheimer Disease, Patients with Mild Cognitive Impairment, and Healthy People. Archives of Neuroscience. 2023;10(1).
4. Plascencia-Villa G, Perry G. Roles of Oxidative Stress in Synaptic Dysfunction and Neuronal Cell Death in Alzheimer’s Disease. Antioxidants. 2023;12(8):1628.
5. Berthoux C, Nasrallah K, Castillo PE. BDNF-induced BDNF release mediates presynaptic LTP and is regulated by cannabinoids. bioRxiv. 2021:2021.12. 30.474558.
6. Weber-Adrian D, Kofoed RH, Chan JWY, Silburt J, Noroozian Z, Kügler S, et al. Strategy to enhance transgene expression in proximity of amyloid plaques in a mouse model of Alzheimer's disease. Theranostics. 2019;9(26):8127.
7. Jingjing L, Chen C, Maojie L, Zhuang S. Effects of aerobic exercise on cognitive function in women with methamphetamine dependence in a detoxification program in Tianjin, China: a randomized controlled trial. Journal of Nursing Research. 2021;29(4):e164.
8. Ribeiro D, Petrigna L, Pereira FC, Muscella A, Bianco A, Tavares P. The impact of physical exercise on the circulating levels of BDNF and NT 4/5: a review. International Journal of Molecular Sciences. 2021;22(16):8814.
9. Amrolahi Z, Avandi SM, Khaledi N. The effect of six weeks’ progressive resistance training on hippocampus BDNF gene expression and serum changes of TNF-α in diabetic wistar rats. Journal of Sport and Exercise Physiology. 2022;15(1/1):10.
10. Sampedro-Piquero P, Begega A. Environmental enrichment as a positive behavioral intervention across the lifespan. Current neuropharmacology. 2017;15(4):459-70.
11. Hase Y, Craggs L, Hase M, Stevenson W, Slade J, Lopez D, et al. Effects of environmental enrichment on white matter glial responses in a mouse model of chronic cerebral hypoperfusion. Journal of neuroinflammation. 2017;14:1-14.
12. Mann J, Clímaco VM, Nagashima S, Stanczyk DW, Santer M, Silva I, et al. The enriched environment prevents degeneration of cerebellum Purkinje cells layer of rats. Acta Neurobiologiae Experimentalis. 2023;83(2):171-8.
13. Vaquero-Rodríguez A, Ortuzar N, Lafuente JV, Bengoetxea H. Enriched environment as a nonpharmacological neuroprotective strategy. Experimental Biology and Medicine. 2023:15353702231171915.
14. Costa GA, Silva NKdGT, Marianno P, Chivers P, Bailey A, Camarini R. Environmental enrichment increased Bdnf transcripts in the prefrontal cortex: implications for an epigenetically controlled mechanism. Neuroscience. 2023;526:277-89.
15. Xu L, Zhu L, Zhu L, Chen D, Cai K, Liu Z, et al. Moderate exercise combined with enriched environment enhances learning and memory through BDNF/TrkB signaling pathway in rats. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2021;18(16):8283.
16. Cutuli D, Landolfo E, Petrosini L, Gelfo F. Environmental enrichment effects on the brain-derived neurotrophic factor expression in healthy condition, Alzheimer’s disease, and other neurodegenerative disorders. Journal of Alzheimer's Disease. 2022;85(3):975-92.
17. Dita DAA, Paramita N, Kodariah R, Kartinah NT. Environmental enrichment and aerobic exercise enhances spatial memory and synaptophysin expression in Rats. The Indonesian Biomedical Journal. 2020;12(1):8-14.
18. Rostami S, Esmailyanmaleki M, Kargarfard P, Eayazmilani R. The effects of combined training and activity in an enriched environment on the brain BDNF and VEGF protein levels in the pre-pubertal male rats. Majallah-i pizishki-i Danishgah-i Ulum-i Pizishki va Khadamat-i Bihdashti-i Darmani-i Tabriz. 2022;43(6):543-53.
19. Jafarzadeh G, Shakerian S, Farbood Y, Ghanbarzadeh M. Effects of eight weeks of resistance exercises on neurotrophins and trk receptors in alzheimer model male wistar rats. Basic and Clinical Neuroscience. 2021;12(3):349.
20. Saadati H, Sheibani V, Refahi S, Mashhadi Z. A Review of the Effects of Sleep Deprivation on Learning and Memory: the Role of Sex Hormones. Journal of Rafsanjan University of Medical Sciences. 2018;17(4):359-76.
21. Khodadadi D, Gharakhanlou R, Naghdi N, Salimi M, Azimi M, Shahed A, et al. Treadmill exercise ameliorates spatial learning and memory deficits through improving the clearance of peripheral and central amyloid-beta levels. Neurochemical research. 2018;43:1561-74.
22. Ahmadalipour A, Sadeghzadeh J, Vafaei AA, Bandegi AR, Mohammadkhani R, Rashidy-Pour A. Effects of environmental enrichment on behavioral deficits and alterations in hippocampal BDNF induced by prenatal exposure to morphine in juvenile rats. Neuroscience. 2015;305:372-83.
23. Beheshti S, Soleimanipour A. Prophylactic effect of all-trans retinoic acid in an amyloid-beta rat model of Alzheimer's disease. Physiology and Pharmacology. 2017;21(1):34-43.
24. Maresova P, Hruska J, Klimova B, Barakovic S, Krejcar O. Activities of daily living and associated costs in the most widespread neurodegenerative diseases: A systematic review. Clinical Interventions in Aging. 2020:1841-62.
25. Vasconcelos-Filho FS, da Rocha-E-Silva RC, Martins JE, Godinho WD, da Costa VV, Ribeiro JK, et al. Neuroprotector effect of daily 8-minutes of high-intensity interval training in rat Aβ1-42 Alzheimer disease model. Current Alzheimer Research. 2020;17(14):1320-33.
26. Voss MW, Vivar C, Kramer AF, van Praag H. Bridging animal and human models of exercise-induced brain plasticity. Trends in cognitive sciences. 2013;17(10):525-44.
27. Shih P-C, Yang Y-R, Wang R-Y. Effects of exercise intensity on spatial memory performance and hippocampal synaptic plasticity in transient brain ischemic rats. PloS one. 2013;8(10):e78163.
28. Shishmanova-Doseva M, Georgieva K, Koeva Y, Terzieva D, Peychev L. Enhancing effect of aerobic training on learning and memory performance in rats after long-term treatment with Lacosamide via BDNF-TrkB signaling pathway. Behavioural brain research. 2019;370:111963.
29. Nascimento CMC, Pereira JR, Pires de Andrade L, Garuffi M, Ayan C, Kerr DS, et al. Physical exercise improves peripheral BDNF levels and cognitive functions in mild cognitive impairment elderly with different bdnf Val66Met genotypes. Journal of Alzheimer's Disease. 2015;43(1):81-91.
30. OSSALI A, CHOOBINEH S, SURI R, RAWASI AA, MOSTAFAVI H. The effect of twelve weeks aerobic exercise with moderate intensity on BDNF, and Short-term memory in 50-65 years old women with syndrome metabolic. 2017.
31. Shirvani H, Aslani J, Fallah Mohammadi Z, Arabzadeh E. Short-term effect of low-, moderate-, and high-intensity exercise training on cerebral dopamine neurotrophic factor (CDNF) and oxidative stress biomarkers in brain male Wistar rats. Comparative Clinical Pathology. 2019;28:369-76.
32. Bos I, De Boever P, Vanparijs J, Pattyn N, Panis LI, Meeusen R. Subclinical effects of aerobic training in urban environment. Med Sci Sports Exerc. 2013;45(3):439-47.
33. Kondo M. Molecular mechanisms of experience-dependent structural and functional plasticity in the brain. Anatomical science international. 2017;92:1-17.
34. Redolat R, Gresa PM. Reta a tu mente, desafía a tu cerebro: complejidad ambiental y salud cerebral. Revista INFAD de Psicología International Journal of Developmental and Educational Psychology. 2016;1(2):201-10.
35. Farzi MA, Sadigh-Eteghad S, Ebrahimi K, Talebi M. Exercise improves recognition memory and acetylcholinesterase activity in the beta amyloid-induced rat model of Alzheimer’s disease. Annals of neurosciences. 2019;25(3):121-5.
36. Baranowski BJ, Mohammad A, Finch MS, Brown A, Dhaliwal R, Marko DM, et al. Exercise training and BDNF injections alter amyloid precursor protein (APP) processing enzymes and improve cognition. Journal of Applied Physiology. 2023;135(1):121-35.
37. Nigam SM, Xu S, Kritikou JS, Marosi K, Brodin L, Mattson MP. Exercise and BDNF reduce Aβ production by enhancing α‐secretase processing of APP. Journal of neurochemistry. 2017;142(2):286-96.
38. Shafia S, Vafaei AA, RashidRy-Pour A. Effects of Moderate Treadmill Exercise and Fluoxetine on Spatial Memory and Serum BDNF Levels in an Animal Model of Post-traumatic Stress Disorder. Journal of Mazandaran University of Medical Sciences. 2019;29(179):1-17.
39. Azevedo KPMd, de Oliveira VH, Medeiros GCBSd, Mata ÁNdS, García DÁ, Martínez DG, et al. The effects of exercise on BDNF levels in adolescents: a systematic review with meta-analysis. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2020;17(17):6056.
40. Kraft E. Cognitive function, physical activity, and aging: possible biological links and implications for multimodal interventions. Aging, Neuropsychology, and Cognition. 2012;19(1-2):248-63.