The Neurophysiological Aspects of Hibernation in Mammals

Hibernacja, zwana także snem zimowym, jest stanem charakteryzującym się okresem obniżonego zużycia energii, który umożliwia wielu zwierzętom przetrwanie sezonu niskich temperatur i skrajnie małego dostępu pożywienia. Zjawisko to najlepiej zostało poznane u gryzoni - susłów, chomików i świstaków. W celu zminimalizowania zużycia energii w organizmie hibernatora dokonuje się obniżenie temperatury ciała, tempa metabolizmu, spadek pulsu i ilości zużywanego tlenu, zmniejszenie przepływu krwi w mózgowiu i suspresja odpowiedzi immunologicznej. Stan ten nosi nazwę torporu. Fazy torporu przerywane są krótkimi okresami cenotermii. Przechodzenie z głębokiej hibernacji do cenotermii związane jest z ze zmianami struktur wewnątrzkomórkowych neuronów, jak i dysocjacji klastrów białek z synaps. Żeby zdać sobie sprawę ze skomplikowania tego zjawiska, trzeba wziąć pod uwagę wyraźne zmiany w ekspresji genów, poziomach aminokwasów czy neurotransmisji. Ponadto, niektóre struktury mózgowia modyfikują swoje funkcje. Hibernujące ssaki wykształciły szereg mechanizmów chroniących układ nerwowy i pozwalających na efektywną pracę po wybudzeniu, takich jak channel arrest czy odbudowa połączeń synaptycznych. Białko tau, związane z organizacją mikrotubul, tworzy neurofibrylarne splątki u ludzi dotkniętych chorobą Alzheimera, podczas gdy u hibernatorów nie wiążą się one z żadnymi negatywnymi zmianami w obrębie tkanki nerwowej. Dlatego też dalsze badania nad tym zjawiskiem mogą pomóc zapobiegać, leczyć i minimalizować przykre skutki rozmaitych chorób i patologii w układzie nerwowym.Hibernation, or winter rest, is a state characterized by a prolonged decreased energy expenditure that enables animals to survive the season of extremely low ambient temperatures and food shortage. The well-studied mammalian hibernators include mostly rodents: ground squirrels, hamsters, woodchucks. The condition of preserving energy is obtained by distinct suppression of metabolism and lowered body temperature featured by lowered heart rate, decreased oxygen demand and respiratory rates, reduction in cerebral blood flow and diminished responses of the immune system. These are characteristics of so-called 'torpor'. The torpid state in a hibernating mammal does not last constantly but is interrupted by cyclic, brief inter-bouts of cenothermia. This regular switching between torpor and euthermic phases has been shown to be accompanied by recurrent remodeling of some intracellular structures in hippocampal neurons as well as dissociation of synaptic protein clusters.One can easily realize how complex the phenomenon is as he takes into account explicit changes of gene expression, amino acid levels or neurotransmission. Moreover, even some brain structures modify their functions. Hibernating mammals have developed multiple mechanisms that protect brain from the damage and allow the nerve tissue to perform efficiently after arousal. Such include channel arrest and effective synaptogenesis. Microtubule-associated protein tau, which is known for forming neurofibrillary tangles in Alzheimer's disease, does not do any harm to hibernators however.Therefore, further research in neurophysiological aspects of hibernation may contribute to finding new methods of curing, preventing and minimalizing the consequences of major human neuropathological conditions and diseases

The ultrastructure of skin glands in Hymenochirus boettgeri (Amphibia: Anura: Pipidae)

Wydzielanie substancji przez gruczoły wielokomórkowe zlokalizowane w skórze właściwej przeobrażonych płazów pozwala na obronę przed drapieżnikami i infekcjami oraz utrzymanie stałego nawilżenia skóry. Ze względu na różnorodność środowisk i zagrożeń w nich występujących poszczególne gatunki wykształciły specyficzne dla siebie gruczoły o wysoce zmiennej zawartości wydzieliny. Cel niniejszej pracy stanowi analiza ultrastrukturalnej budowy gruczołów w skórze Hymenochirus boettgeri (Anura: Pipidae) z uwzględnieniem badań spektroskopowych dotyczących analizy chemicznej zawartości tych gruczołów. Uzyskane wyniki badań ultrastruktury komórek wydzielniczych oraz rodzaju sekrecji potwierdzają obecność w skórze H. boettgeri czterech typów gruczołów: gruczołu surowiczego typu I, gruczołu surowiczego typu II, gruczołu śluzowego typu I oraz gruczołu śluzowego typu II. Wydzielina gruczołu surowiczyego typu I składa się z trzech typów ziaren wydzielniczych, prawdopodobnie odzwierciedlających różne stadia dojrzewania sekrecji. Komórki nabłonka wydzielniczego tego gruczołu tworzą syncytium. Gruczoł surowiczy typu II posiada wydzielinę w formie okrągłych granul. Komórki wydzielnicze gruczołu śluzowego typu I są wyraźnie oddzielone od wydzieliny o jednorodnej postaci. Sekrecja gruczołu śluzowego typu II ma formę granul, które zgrupowane są w przedziałach. Komórki nabłonka wydzielniczego wszystkich czterech typów gruczołów otoczone są komórkami mioepitelialnymi. Analiza widma spektroskopowego wskazuje, że w wydzielinie gruczołów surowiczych oraz gruczołu śluzowego typu I dominują białka o zróżnicowanej strukturze drugorzędowej i modyfikacjach, takich jak fosforylacja. Ponadto, wydzielina gruczołu śluzowego typu I zawiera kwasy tłuszczowe, cukry oraz kwasy nukleinowe. Wyniki przedstawione w niniejszej pracy poszerzają wiedzę na temat gruczołów w skórze płazów a także ukazują potrzebę kontynuowania badań zarówno morfologicznych, jak i biochemicznych nad gruczołami u H. boettgeri jak i innych płazów.The secretions of multicellular glands in skin of post-metamorphic amphibians are of great importance for defence against predators, infections and for maintenance of constant skin moisture. The variety of environments and threats within them led to high diversity of amphibian skin glands and their secretions that are species-specific. This study aims at analyzing the ultrastructure of skin glands of Hymenochirus boettgeri (Anura: Pipidae) with consideration of chemical analysis of their secretion using spectroscopic method. The obtained results of ultrastructure of secretory cells and secretion confirm the presence of four types of skin glands in H. boettgeri: granular glands type I and II and mucous glands type I and II. The secretion of granular gland type I comprises three distinct types of secretory granules which probably represent different stages of maturation of secretion. Secretory epithelium of this gland forms syncytium. The secretion of granular gland type II consists of round secretory granules. The secretory epithelium of mucous gland type I is clearly separated from its secretion that is homogenous in form. The secretion of mucous gland type II is enclosed in granules aggregated together into compartments. Secretory epithelia of all of the glands are surrounded by myoepithelial cells.Spectroscopic data suggest that secretions of the granular glands and mucous gland type I are mainly composed of proteins with different secondary structure and modifications such as phosphorylation. Moreover, the secretion of the mucous gland contains also substantial amounts of fatty acids, carbohydrates and nucleic acids.Demonstrated results expand the present knowledge on skin glands in amphibians and emphasize the necessity to continue studies on these structures, regarding both morphology and biochemical analyses in H. boettgeri and other amphibians

The effect of acute zinc administration on the levels of c-fos and Arc in rat brain

Cynk jest mikroelementem niezbędnym dla prawidłowego funkcjonowania wszystkich organizmów żywych. Wpływa on na szereg procesów fizjologicznych w całym ustroju. Pełni on także istotną rolę w układzie nerwowym, gdzie jest uwalniany z zakończeń neuronów cynkoergicznych i moduluje działanie licznych receptorów. Wiele prac podkreśla związek cynku z depresją i wskazuje na jego przeciwdepresyjne działanie. Jak dotąd, opracowano kilka hipotez tłumaczących jego przeciwdepresyjne właściwości.W niniejszej pracy zbadano wpływ jednorazowych podań cynku na poziom genów wczesnej odpowiedzi komórkowej Arc i c-fos w wybranych strukturach mózgu szczura: korze przedczołowej, hipokampie, ciele migdałowatym oraz wzgórzu. Cynk podawano dootrzewnowo w postaci wodoroasparaginianu cynku w dawkach odpowiadających 2,5; 5 i 7,5 mg Zn/kg masy ciała szczura, a następnie izolowano tkanki w odpowiednim czasie. W pierwszej części badań określono wpływ każdej z trzech dawek cynku na poziom mRNA genów Arc i c-fos we wszystkich czterech strukturach oraz na poziom białek Arc i c-Fos w korze przedczołowej i hipokampie po 60 min od podania. W dalszych eksperymentach sprawdzono efekt podania dawki 5 mg Zn/kg po 7, 15 i 30 min od iniekcji na poziom transkryptów oraz produktów białkowych Arc i c-Fos w korze przedczołowej i hipokampie. W celu określenia poziomu mRNA badanych genów zastosowano technikę real-time RT-PCR. Poziom białek Arc i c-Fos oznaczano metodą Western Blot. Uzyskane wyniki sugerują istnienie dawkozależnego efektu oddziaływania cynku na ekspresję genów Arc i c-fos w korze przedczołowej i hipokampie. Dla większych dawek cynku zanotowano większy spadek poziomu mRNA oraz białek Arc i c-Fos po 60 min od podania. W ciele migdałowatym i wzgórzu nie zaobserwowano zmian w poziomie mRNA i białka Arc i c-Fos po 60 min od podania. W przypadku podania cynku w dawce 5 mg/kg zaobserwowano wzrost poziomu transkryptów obu genów w korze przedczołowej już po 7 min od podania, jednak jest to działanie krótkotrwałe, a stężenie transkryptów ulega istotnemu obniżeniu już po 30 min od iniekcji. W hipokampie zarówno poziom mRNA jak i białka Arc i c-Fos nie zmieniał się istotnie w czasie od 7 do 30 min od podania cynku. Wyniki te sugerują, że efekt cynku na ekspresję Arc i c- Fos może być zależny nie tylko od czasu, ale również od struktury mózgu. Dalsze badania z wykorzystaniem innych metod są niezbędne dla potwierdzenia otrzymanych wyników.Zinc is a trace element essential for all the living organisms. It participates in countless physiological reactions throughout the human body. Its vital role is also prevalent in the nervous system, where it is released from the boutons of the zincergic neurons and modulates the action of many receptors. A wide body of literature highlights the relationship between zinc and major depression disorder and its antidepressant activity. Several mechanisms have been also proposed to explain the antidepressant properties of zinc. The purpose of this study was to investigate the effect of acute administration of zinc on the levels of the immediate early genes Arc and c-fos in rat brain, specifically in the amygdala, hippocampus, prefrontal cortex and thalamus. Following intraperitoneal injection of 2.5, 5 or 7.5 mg Zn/kg, the brains were extracted in due time and the quantities of Arc and c-fos mRNA and the proteins have been assessed using real-time RT-PCR and Western Blot techniques. Firstly, the influence of the above mentioned doses of zinc on the levels of Arc and c-Fos mRNA (in all four structures) and protein (prefrontal cortex and hippocampus) was evaluated 60 min after the injection. Secondly, the impact of the dose of 5 mg Zn/kg on the mRNA and protein levels of both Arc and c-Fos in prefrontal cortex and hippocampus was determined 7, 15 and 30 min after the injection. Obtained results imply that the effect of zinc on the expression of the genes Arc and c-fos in the rat prefrontal cortex and hippocampus is dose-dependent. 60 min after the administration, the observed decreases in both Arc and c-fos mRNA and protein levels were more significant for the doses 5 and 7.5 mg Zn/kg than for 2.5 mg Zn/kg. No changes in the regards of the amount of investigated genes mRNA have been noted in the amygdala or in the thalamus. On the other hand the dose of 5 mg Zn/kg was sufficient to increase Arc and c-fos mRNA levels in the prefrontal cortex 7 min after zinc administration. However, this effect was short-lasting and the amounts of the gene transcripts declined significantly 30 min post-injection. In contrast, in the hippocampus neither Arc nor c-fos mRNA nor protein concentrations have been altered throughout the time course 7-30 min after zinc administration. Obtained data indicate that zinc’s effects on the expression of Arc and c-Fos might be time-dependent and may vary depending on the structure of the brain. Further studies using a different methods are needed to confirm the present results