Neural mechanisms mediating locomotor performance during forced wheel running in adolescent rats : Stress responses and role of the dopaminergic system

Abstract

Practicar actividad física regularmente durante la adolescencia produce abundantes beneficios para la salud. Sin embargo, los mecanismos causales que producen estos efectos aún se desconocen. Esto se debe en parte a la falta de uniformidad y parametrización en los modelos experimentales de ejercicio empleados en investigación. Uno de los desafíos actuales es desenmarañar los mecanismos neurales que controlan y modulan la actividad física. Por ello, el principal objetivo de esta tesis doctoral ha sido desarrollar un modelo de ejercicio en roedores que permita determinar los mecanismos neurobiológicos subyacentes a la actividad física. Después, se han evaluado las respuestas de estrés y el rol del sistema dopaminérgico durante la carrera forzada. Con este propósito se han llevado a cabo tres estudios de investigación: En el estudio_1 nos propusimos desarrollar y evaluar una fase de habituación al ejercicio en rueda forzada para mejorar el rendimiento motor de ratas adolescentes. Así, se desarrolló un protocolo de habituación de 8 días basado en un aumento progresivo de la velocidad y tiempo de carrera. Concluido el protocolo, se evaluó su efecto sobre el rendimiento motor mediante un test incremental. La habituación mejoró significativamente el rendimiento motor durante el test. Además, estos datos implican que implementar una fase inicial de habituación es clave para lograr respuestas motoras satisfactorias (100% de los roedores) durante programas de entrenamiento más exigentes. El ejercicio agudo, y particularmente las modalidades forzadas, son consideradas una condición de estrés. Este estrés podría actuar reduciendo o potenciando las funciones motoras. Por esto, en el estudio_2 nos propusimos determinar si los biomarcadores plasmáticos de estrés lactato y glucosa varían durante la habituación al ejercicio y durante el test incremental. Además, evaluamos los cambios transcriptómicos en la expresión de ARNm hipotalámico de Avp y Crh, mediante hibridación in-situ y qPCR. Los resultados mostraron que los biomarcadores de estrés plasmáticos e hipotalámicos permanecieron invariables durante el protocolo de habituación. Según esto, las respuestas de estrés no estarían involucradas en la mejora motora observada tras la habituación. Curiosamente, después del test las ratas no habituadas mostraron niveles de lactato y glucosa más elevados, lo que implica que la implementación de una fase adaptativa previa a programas de ejercicio forzado podría minimizar las respuestas de estrés no específicas. Los mecanismos que regulan las respuestas motoras observadas parecen depender por tanto del sistema nervioso central. Particularmente, el sistema dopaminérgico tiene un importante rol en el desarrollo y maduración de circuitos neurales asociados con el aprendizaje motor y cognitivo durante la adolescencia, mediante la activación de los receptores D1 y D2, convirtiéndose en un importante candidato en la modulación de la capacidad física durante esta etapa. El objetivo del estudio_3 ha sido determinar si los receptores D1 y D2 contribuyen a la modulación de la capacidad física durante la adolescencia y si esta modulación tiene lugar en el estriado, núcleo principal de los ganglios de la base, asociados al control motor, y una de las regiones cerebrales con mayor expresión de receptores dopaminérgicos. Los resultados han mostrado que la dopamina está involucrada en la regulación del rendimiento motor a través de la acción de los receptores D1 estriatales y D2 extra-estriatales. En conjunto, los estudios_1y2 proporcionan un novedoso modelo en roedores para el estudio de la neurobiología del ejercicio, con el que es posible aplicar las mismas cargas de entrenamiento a todos los animales, logrando niveles altos de rendimiento y evitando respuestas de estrés no específicas del ejercicio. El estudio_3 explora los mecanismos neurales asociados a la capacidad física durante la adolescencia, que es dependiente de dopamina y está ligada a la activación de los receptores D1 estriatales y D2 extraestriatales.

Regular practice of physical activity during adolescence is known to produce significant benefits for health. However, the causal mechanisms producing these effects remain poorly understood. This knowledge gap is partly due to the lack of uniformity and parametrization of the experimental models of exercise employed in research. One of the current challenges is to unravel the neural mechanisms that controls and modulates physical activity. Thus, the main aim of the present doctoral thesis has been to develop a forced wheel exercise model in rodents to determine the neurobiological mechanisms underlying physical activity. Then, the stress responses and the role of the dopaminergic system during forced running were evaluated. For this purpose, three research studies have been carried out. In study 1 we aimed to develop and evaluate a phase of habituation to exercise in forced running wheel in order to improve the locomotor performance of young rats. For this purpose, we have developed an 8-days habituation protocol based on a progressive increase of the speed and time of running. After the protocol, we evaluated its effect in the locomotor performance by an incremental exercise test. The results determined that eight days of habituation significantly improved the locomotor performance of Sprague-Dawley rats during the test. Also, our data reveal that the implementation of the habituation phase is a key component to achieve successful locomotor responses (100% of rodents) during longer and more demanding training programs. Acute exercise, and particularly forced modalities, are considered stress conditions. These stress responses might act either diminishing or enhancing motor functions. Thus, in study 2, we aimed to determine whether plasmatic stress biomarkers, lactate and glucose, vary during the exercise habituation protocol and during the incremental test. Furthermore, we assessed chronic transcriptomic changes in hypothalamic Crh and Avp mRNA expression after habituation, by in-situ hybridization and qPCR. Our data showed that plasmatic and hypothalamic stress biomarkers remain unchanged during the habituation protocol. According to these results, stress responses do not appear to be involved in the improved locomotor performance observed after the habituation program. Interestingly, non-habituated rats showed significantly higher levels of plasmatic lactate and glucose during the incremental test, which implies that the implementation of an adaptive phase prior to forced exercise programs might minimize non-specific stress responses. Therefore, the mechanisms regulating the observed locomotor responses during forced running appears to be dependent on the central nervous system. In particular the dopaminergic system is known to play a key role in the development and maturation of neural circuits associated with cognitive and motor learning behaviors during adolescence through the activation of D1 and D2 receptors, thus, central dopamine is an important candidate to modulate exercise capacity during adolescence. The aim of the study 3 was to determine whether the D1 and D2 receptors contribute to modulate exercise capacity during adolescence and whether this modulation occurs through the striatum, which is the main input structure of the basal ganglia circuitry involved in motor control, and one of the brain regions with the highest expression of dopamine receptors. The results showed that the dopamine system is involved in the regulation of locomotor performance through a recruitment of striatal D1 and extrastriatal D2 receptor signaling. Collectively, study 1 and 2 provide a novel rodent model to study the neurobiology of exercise, in which similar training loads can be applied to all the animals, achieving successful levels of motor performance and avoiding non-specific of exercise stress responses. And study 3 explores the neural mechanisms associated to exercise capacity during adolescence, which is dopamine-dependent and mechanistically linked to the activation of striatal D1 and extra-striatal D2 receptors.