Efeitos do exercício físico parental sobre parâmetros comportamentais e de neuroplasticidade em filhotes de ratos Wistar

Abstract

O encéfalo pode sofrer alterações funcionais e morfológicas em resposta às mudanças do ambiente. Esta capacidade, denominada neuroplasticidade, pode exercer um importante papel nos processos de adaptação e reorganização do microambiente encefálico, resultando em padrões de comportamento distintos. Evidências clínicas e experimentais demonstraram que condições tanto maternas quanto paternas podem interferir no processo de neuroplasticidade nos descendentes, predispondo o desenvolvimento de doenças ou promovendo efeitos benéficos na prole após o nascimento e na vida adulta. Nesta tese investigamos os efeitos de protocolos de exercício físico em esteira ergométrica adaptada para ratos sobre marcadores de neuroplasticidade e comportamentais na prole. Ratos Wistar adultos machos e fêmeas foram utilizados e divididos em dois estudos: (1) paterno e (2) materno. Os ratos machos foram divididos em dois grupos experimentais, sendo um grupo exercitado (22 dias, 5 vezes por semana, intensidade 60%VO2, durante 20 minutos) e outro sedentário (animais expostos à esteira ergométrica desligada pelo mesmo tempo que o grupo exercitado), neste estudo as fêmeas foram mantidas totalmente sedentárias. A prole destes animais foi dividida em dois grupos experimentais, de acordo com o protocolo paterno (EXE) para os descendentes de pais exercitados e (SED) para os descendentes de pais sedentários. Os níveis de metilação global de DNA no esperma dos pais foram analisados. Parâmetros de neuroplasticidade (BDNF, Relina e sobrevivência celular) e epigenética (metilação global de DNA) foram medidos nos hipocampos dos filhotes. Os marcos do desenvolvimento dos filhotes foram observados. Testes comportamentais de desempenho físico e memória espacial foram realizados nos filhotes adultos. Houve uma melhora do aprendizado espacial nos filhotes do grupo EXE, acompanhada de uma diminuição dos níveis de metilação global do DNA no hipocampo. Os animais não apresentaram alteração nos marcos do desenvolvimento. Nenhum dos marcadores neuroplásticos apresentou diferença estatística entre os grupos estudados. Não houve diferença nos níveis de metilação no esperma dos pais. Na segunda parte deste trabalho, a prole das ratas fêmeas exercitadas e dos pais sedentários foi dividida em 4 grupos, conforme o período de treino materno: sedentárias antes e durante a gestação (SS); sedentárias antes e exercitadas durante a gestação (SE), exercitadas antes e sedentárias na gestação (ES) e por fim, exercitadas nos dois períodos. Os mesmos parâmetros avaliados no estudo paterno foram realizados nos filhotes. Nehuma diferença nos marcos do desenvolvimento foi observada. Todos os grupos descendentes de mães exercitadas, SE, ES e EE apresentaram melhores escores de aprendizado em relação ao grupo SS. Os grupos SE e ES apresentaram maior proliferação celular e conteúdo de relina hipocampal. Somente o grupo ES apresentou diminuição significativa nos níveis de metilação de DNA hipocampal em relação ao grupo SS. Conclui-se que o exercício físico, tanto materno quanto paterno, foi capaz de gerar uma programação no encéfalo da prole, aumentando a capacidade de aprendizado. Ainda os protocolos maternos pré- gestacional e gestacional se mostraram seguros para o desenvolvimento da prole e devem ser estimulados. Além disso o exercício paterno se mostrou uma experiência positiva uma vez que gerou uma melhora cognitiva na prole.

The brain is vulnerable to functional and morphological alterations in response do environmental changes. This capacity, know as neuroplasticity, can play an important role in adaptions and reorganization encephalic microenvironment. Clinical and preclinical evidences shown that both paternal and maternal experiences can modulate the neuroplasticity process on the offspring, increasing the risk of diseases or generating positive effects on descendants. Here, we investigate the effects of treadmill running protocols in neuroplasticity and behavioral markers on the progenies. Adult male and female Wistar rats were divided into two studies: (1) Paternal and (2) Maternal. In the first study of this thesis we divided the male rats into two groups: Exercised (EXE) (20 minutes daily, 5 consecutive days per week for 22 days) and sedentary (SED), while the mothers were not trained. After mating, paternal sperm was collected for global DNA methylation analysis. The development milestones were observed. At postnatal day 53, the offspring were euthanized, and the hippocampus was dissected to measure cell survival by 5-bromo-2′-deoxiuridine (BrdU) and to determine the expression of synaptophysin, reelin, brain-derived neurotrophic factor and global DNA methylation levels. To measure spatial memory and learning changes in offspring, the Morris water maze paradigm was used. No differences in developmental milestones were observed. There was an improvement in spatial learning, as well as a significant decrease in hippocampal global DNA methylation levels in the offspring from exercised fathers compared with those from sedentary ones; however, no changes were observed in neuroplasticity biomarkers brain-derived neurotrophic factor, reelin and cell survival. Finally, the global DNA methylation of paternal sperm was not significantly changed by physical exercise. In the second part of this thesis, we evaluated the effects of maternal aerobic exercise initiated before and maintained during gestation, or performed in these isolated periods, on cognition and plasticity in the hippocampus of offspring. Groups of male pups were categorized by the exposure of their mothers to: treadmill off (sedentary, SS), pregestational exercise (ES), gestational exercise (SE) or combined protocols (EE). The analysis of offspring cognition and plasticity in the hippocampus followed the same experimental design described at paternal work. The offspring from ES, SE and EE mothers demonstrated improved spatial learning compared to SS, but hippocampal DNA methylation was significantly modified only in the offspring from ES mothers. The offspring from ES and SE mothers presented higher number of BrdU+ and reelin+ hippocampal cells than EE and SS. No differences were observed in the BDNF levels among the groups. The maternal pregestational and gestational isolated exercise protocols showed similar effects for offspring plasticity and spatial cognitive ability, while the combined protocol simply improved their spatial learning. Interestingly, only pregestational exercise was able to induce plasticity in the offspring hippocampus associated with modulation of global DNA methylation. In conclusion, we demonstrated that both maternal and paternal treadmill running were capable of program the offspring brain, increasing scores of spatial learning and neuroplastic parameters. Furthermore, these positive outputs are linked to a modulation of global DNA methylation in hippocampus of offspring.