Milieu Modulaties van het aantal dopaminesysteem Neuronen in volwassen muizen
Summary
This protocol describes two different environmental manipulations and a concurrent brain infusion protocol to study environmentally-induced brain changes underlying adaptive behavior and brain repair in adult mice.
Abstract
Langdurige veranderingen in de hersenen of 'plasticiteit van het brein' ten grondslag liggen aan adaptief gedrag en de hersenen herstel na ziekte of letsel. Bovendien kan de interactie met onze omgeving plasticiteit van het brein te induceren. In toenemende mate wordt het onderzoek probeert te identificeren welke omgevingen plasticiteit van het brein gunstig voor de behandeling van de hersenen en gedragsstoornissen te stimuleren. Twee milieu manipulaties beschreven die verhogen of tyrosine hydroxylase immunopositive (TH +, de snelheidsbeperkende enzym in dopamine (DA) synthese) in de volwassen muis middenhersenen verlagen neuronen. De eerste bestaat koppeling mannelijke en vrouwelijke muizen continu samen gedurende 1 week, waarbij middenhersenen TH + neuronen in mannetjes verhoogt met ongeveer 12%, maar vermindert middenhersenen TH + neuronen met ongeveer 12% bij vrouwen. De tweede groep omvat een behuizing muizen continu voor 2 weken in 'verrijkte omgeving' (EE) met loopwielen, speelgoed, touwen, nestmateriaal, enz., Die ikncreases middenhersenen TH + neuronen met ongeveer 14% bij mannen. Daarnaast wordt een protocol beschreven voor gelijktijdige infusie van medicijnen direct in de middenhersenen tijdens deze milieu manipulaties om onderliggende mechanismen milieuredenen hersenplasticiteit identificeren. Bijvoorbeeld wordt EE-inductie van meer middenhersenen TH + neuronen afgeschaft gelijktijdige blokkade van synaptische ingang op neuronen van de middenhersenen. Samen vormen deze gegevens blijkt dat informatie over het milieu wordt doorgegeven via synaptische input voor middenhersenen neuronen om in of uit uitdrukking van 'DA' genen schakelen. Zo passende milieueisen stimulatie, of drug targeting van de onderliggende mechanismen, nuttig voor de behandeling van de hersenen en gedragsstoornissen in verband met onevenwichtigheden in de middenhersenen DA zou kunnen zijn (bijvoorbeeld de ziekte van Parkinson, Attention Deficit Hyperactivity Disorder, schizofrenie, en drugsverslaving).
Introduction
DArgic signalering door neuronen in het ventrale tegmentale gebied (VTA) en substantia nigra pars compacta (SNC) van de middenhersenen wordt gedacht belangrijk voor een beloning gemotiveerd cognitieve, emotionele en motorische gedrag te zijn. Echter, te veel of te weinig middenhersenen DA signalering veroorzaakt veel invaliderende symptomen in een verscheidenheid van neurologische aandoeningen (zoals de ziekte van Parkinson, Attention Deficit Hyperactivity Disorder, schizofrenie, en drugsverslaving). Geneesmiddelen die verhogen of verlagen DA signalering verlichten deze symptomen, maar ze produceren ook bijwerkingen toe te schrijven aan ontregelde signalering en off-target effecten. Drug werkzaamheid neemt af in de tijd door de compenserende responsen van de hersenen. De uitdaging is dan ook om de normale middenhersenen DA signalering te herstellen in een meer gerichte en fysiologische manier, en een favoriete aanpak is door het verhogen of verlagen van het aantal middenhersenen DA neuronen.
Bewijs is accumuleren voor sevrale decennia dat de expressie van genen en eiwitten die betrokken zijn bij het metaboliseren van en handel DA en andere catecholaminen in de volwassen volwassen cellen is aanpasbaar (beoordeeld in 1). In de middenhersenen, vermindert het aantal tyrosine hydroxylase immunopositieve (TH +, de snelheidsbeperkende enzym in DA synthese) neuronen dan verhoogt volgende neurotoxine administratie 2,3, terwijl het aantal TH immunonegative (TH-) neuronen toont het tegenovergestelde patroon (dwz toeneemt Vervolgens daalt 3). Dit is consistent met het verlies dan winnen van de "DA fenotype 'van sommige cellen. Het aantal TH + en TH- SNc neuronen is ook aangetoond veranderen in gelijke maar tegengestelde richtingen na verschillende behandelingen die de elektrische activiteit van deze cellen 4,5 veranderen. Bijvoorbeeld, infusie van de kleine geleiding, door calcium geactiveerde kalium (SK) kanaal antagonist apamin in middenhersenen gedurende 2 weken vermindert het aantal TH + en verhogingen (met hetzelfde bedrag) number van TH- SNc neuronen 4,5. Daarentegen infusie van de SK kanaal agonist 1-Ebio verhoogt het aantal TH + en vermindert (met dezelfde hoeveelheid) het aantal TH- SNc neuronen 4,5. Vergelijkbare veranderingen werden waargenomen na verschillende behandelingen voor SNc neuronale activiteit, waarvan sommige afferente input 4 gericht. Deze schijnbare regeling van het aantal SNc DArgic neuronen van neuronale activiteit en afferente invoer oppert de mogelijkheid dat het milieu of het gedrag aantal SNc neuronen beïnvloeden. Indeed volwassen muizen blootgesteld aan verschillende omgevingen of meer middenhersenen (SNc en VTA) TH + neuronen, en ten minste enkele van deze milieu-geïnduceerde veranderingen opgeheven door gelijktijdige blokkade van synaptische input middenhersenen 6. De doelstellingen van deze mededeling zijn: (1) geven meer details over hoe we onze milieu-manipulaties en infusies met geneesmiddelen uit te voeren; en (2) nadere gegevens ter ondersteuning van onze stelling dat de environment regelt het aantal middenhersenen DA neuronen, via afferente ingang.
Protocol
Representative Results
Discussion
Milieu-manipulaties
De motivatie achter het ontwerp van deze milieu-manipulaties (geslacht koppelen en milieu verrijking) was om te bepalen of het milieu, en / of het gedrag ingegeven door het milieu, wordt geassocieerd met veranderingen in het aantal middenhersenen DA neuronen. De focus lag daarom op het leveren van omgevingen en het stimuleren van gedrag dat waarschijnlijk middenhersenen DA signalering betrekken. Deze omvatten het koppelen met het andere geslacht, en het milieu ve…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This study was supported by the National Health and Medical Research Council of Australia (NHMRC) Project grant 1022839. AJH is an Australian Research Council (ARC) FT3 Future Fellow (FT100100835). The Florey Institute of Neuroscience and Mental Health acknowledges support from the Victorian Government’s Operational Infrastructure Support Grant.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Isofluorane | Baxter Healthcare Pty Ltd, Baxter Drive, NSW 2146, Australia | AHN3640 | |
| ALZET Osmotic pump 1002 | DURECT Corporation, PO Box 530 Cupertino, CA 95015-0530 | 0004317 | |
| ALZET Brain infusion kit 1 | DURECT Corporation, PO Box 530 Cupertino, CA 95015-0530 | 0004760 | |
| ALZET cannula holder 1 | DURECT Corporation, PO Box 530 Cupertino, CA 95015-0530 | 0008860 | |
| Vertex Monomer Self-curing (dental acrylic solvent) | Vertex Dental, Postbus 10, 3700 AA ZEIST, The Netherlands | n/a | |
| Vertex Self Curing (dental acrylic powder) | Vertex Dental, Postbus 10, 3700 AA ZEIST, The Netherlands | n/a | |
| METACAM (Meloxicam) | Troy Laboratories, 98 long Street, smithfield NSW 2164 Australia | L10100 | |
| Sodium Pentobarbitone | Lethabarb, Virbac, Milperra, NSW, Australia | 571177 | |
| Normal goat serum | chemicon-temecula, CA | S26-Litre | |
| Triton X-100 | Merck Millipore Headquarters , 290 Concord road, Billerica, MA 01821 | 1.08603.1000 | |
| Polyclonal rabbit anti-tyrosine hydroxylase | Merck Millipore Headquarters , 290 Concord road, Billerica, MA 01821 | AB152 | |
| Polyclonal biotinylated goat anti-rabbit | Dako Australia Pty. Ltd., Suite 4, Level 4, 56 Berry street, North Sydney, NSW, Australia 2060 | EO432 | |
| Avidin peroxidase | Sigma-aldrich, Castle Hill, NSW 1765 AU | A3151-1mg | |
| Diamino-benzidine | Sigma-aldrich, Castle Hill, NSW 1765 AU | D-5637 | |
| Stereo Investigator | MicroBrightField Bioscience, 185 Allen Brook Lane, Suite 101, Williston, VT 05495 | n/a |
Riferimenti
- Aumann, T., Horne, M. Activity-dependent regulation of the dopamine phenotype in substantia nigra neurons. Journal of neurochemistry. 121, 497-515 (2012).
- Sauer, H., Oertel, W. H. Progressive degeneration of nigrostriatal dopamine neurons following intrastriatal terminal lesions with 6-hydroxydopamine: a combined retrograde tracing and immunocytochemical study in the rat. Neuroscienze. 59, 401-415 (1994).
- Stanic, D., Finkelstein, D. I., Bourke, D. W., Drago, J., Horne, M. K. Timecourse of striatal re-innervation following lesions of dopaminergic SNpc neurons of the rat. The European journal of neuroscience. 18, 1175-1188 (2003).
- Aumann, T. D., et al. Neuronal activity regulates expression of tyrosine hydroxylase in adult mouse substantia nigra pars compacta neurons. Journal of neurochemistry. 116, 646-658 (2011).
- Aumann, T. D., et al. SK channel function regulates the dopamine phenotype of neurons in the substantia nigra pars compacta. Experimental neurology. 213, 419-430 (2008).
- Aumann, T. D., Tomas, D., Horne, M. K. Environmental and behavioral modulation of the number of substantia nigra dopamine neurons in adult mice. Brain and behavior. 3, 617-625 (2013).
- Paxinos, G., Franklin, K. B. J. . The mouse brain in stereotaxic coordinates. , (2001).
- Schultz, W. Behavioral dopamine signals. Trends in neurosciences. 30, 203-210 (2007).
- Sun, P., Smith, A. S., Lei, K., Liu, Y., Wang, Z. Breaking bonds in male prairie vole: long-term effects on emotional and social behavior, physiology, and neurochemistry. Behavioural brain research. 265, 22-31 (2014).
- Aponso, P. M., Faull, R. L., Connor, B. Increased progenitor cell proliferation and astrogenesis in the partial progressive 6-hydroxydopamine model of Parkinson’s disease. Neuroscienze. 151, 1142-1153 (2008).
- Frielingsdorf, H., Schwarz, K., Brundin, P., Mohapel, P. No evidence for new dopaminergic neurons in the adult mammalian substantia nigra. Proc Natl Acad Sci U S A. 101, 10177-10182 (2004).
- Lie, D. C., et al. The adult substantia nigra contains progenitor cells with neurogenic potential. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 22, 6639-6649 (2002).
- Chen, Y., Ai, Y., Slevin, J. R., Maley, B. E., Gash, D. M. Progenitor proliferation in the adult hippocampus and substantia nigra induced by glial cell line-derived neurotrophic factor. Experimental neurology. 196, 87-95 (2005).
- Yoshimi, K., et al. Possibility for neurogenesis in substantia nigra of parkinsonian brain. Ann Neurol. 58, 31-40 (2005).
- Shan, X., et al. Enhanced de novo neurogenesis and dopaminergic neurogenesis in the substantia nigra of 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine-induced Parkinson’s disease-like mice. Stem Cells. 24, 1280-1287 (2006).
- Zhao, M., et al. Evidence for neurogenesis in the adult mammalian substantia nigra. Proc Natl Acad Sci U S A. 100, 7925-7930 (2003).
- Baker, H., Kawano, T., Margolis, F. L., Joh, T. H. Transneuronal regulation of tyrosine hydroxylase expression in olfactory bulb of mouse and rat. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 3, 69-78 (1983).
- Black, I. B., Chikaraishi, D. M., Lewis, E. J. Trans-synaptic increase in RNA coding for tyrosine hydroxylase in a rat sympathetic ganglion. Brain research. 339, 151-153 (1985).
- Zigmond, R. E., Chalazonitis, A., Joh, T. Preganglionic nerve stimulation increases the amount of tyrosine hydroxylase in the rat superior cervical ganglion. Neuroscience letters. 20, 61-65 (1980).
- Biguet, N. F., Rittenhouse, A. R., Mallet, J., Zigmond, R. E. Preganglionic nerve stimulation increases mRNA levels for tyrosine hydroxylase in the rat superior cervical ganglion. Neuroscience letters. 104, 189-194 (1989).
- Richard, F., et al. Modulation of tyrosine hydroxylase gene expression in rat brain and adrenals by exposure to cold. Journal of neuroscience research. 20, 32-37 (1988).
- Schalling, M., Stieg, P. E., Lindquist, C., Goldstein, M., Hokfelt, T. Rapid increase in enzyme and peptide mRNA in sympathetic ganglia after electrical stimulation in humans. Proc Natl Acad Sci U S A. 86, 4302-4305 (1989).
- Liaw, J. J., He, J. R., Barraclough, C. A. Temporal changes in tyrosine hydroxylase mRNA levels in A1, A2 and locus ceruleus neurons following electrical stimulation of A1 noradrenergic neurons. Brain research. Molecular brain research. 13, 171-174 (1992).
- Watabe-Uchida, M., Zhu, L., Ogawa, S. K., Vamanrao, A., Uchida, N. Whole-brain mapping of direct inputs to midbrain dopamine neurons. Neuron. 74, 858-873 (2012).
- Tepper, J. M., Lee, C. R. GABAergic control of substantia nigra dopaminergic neurons. Progress in brain research. 160, 189-208 (2007).
- Hannan, A. J. Environmental enrichment and brain repair: harnessing the therapeutic effects of cognitive stimulation and physical activity to enhance experience-dependent plasticity. Neuropathology and applied neurobiology. 40, 13-25 (2014).
- Nithianantharajah, J., Hannan, A. J. Enriched environments, experience-dependent plasticity and disorders of the nervous system. Nature reviews. Neuroscience. 7, 697-709 (2006).
- Chmiel, D. J., Noonan, M. Preference of laboratory rats for potentially enriching stimulus objects. Laboratory animals. 30, 97-101 (1996).
- Hanmer, L. A., Riddell, P. M., Williams, C. M. Using a runway paradigm to assess the relative strength of rats’ motivations for enrichment objects. Behavior research methods. 42, 517-524 (2010).
- Burrows, E. L., McOmish, C. E., Hannan, A. J. Gene-environment interactions and construct validity in preclinical models of psychiatric disorders. Progress in neuro-psychopharmacology & biological psychiatry. 35, 1376-1382 (2011).
- Van de Weerd, H. A., Van Loo, P. L. P., Van Zutphen, L. F. M., Koolhaas, J. M., Baumans, V. Strength of preference for nesting material as environmental enrichment for laboratory mice. Applied Animal Behaviour Science. 55, 369-382 (1998).
- Rampon, C., et al. Effects of environmental enrichment on gene expression in the brain. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 97, 12880-12884 (2000).
- Eckert, M. J., Abraham, W. C. Effects of environmental enrichment exposure on synaptic transmission and plasticity in the hippocampus. Current topics in behavioral neurosciences. 15, 165-187 (2013).
- Sztainberg, Y., Chen, A. An environmental enrichment model for mice. Nature protocols. 5, 1535-1539 (2010).
- Sale, A., Berardi, N., Maffei, L. Environment and brain plasticity: towards an endogenous pharmacotherapy. Physiological reviews. 94, 189-234 (2014).
