Ett metriskt test för bedömning av rumsligt arbetsminne hos vuxna råttor efter traumatisk hjärnskada
Summary
Traumatisk hjärnskada (TBI) är ofta förknippad med minnesförsämring. Här presenterar vi ett protokoll för att bedöma rumsligt arbetsminne efter TBI via en metrisk uppgift. Ett metriskt test är ett användbart verktyg för att studera försämring av rumsligt arbetsminne efter TBI.
Abstract
Försämringar av sensoriska, kortsiktiga och långsiktiga minne är vanliga biverkningar efter traumatisk hjärnskada (TBI). På grund av de etiska begränsningarna i mänskliga studier ger djurmodeller lämpliga alternativ till testbehandlingsmetoder och för att studera mekanismerna och relaterade komplikationer av tillståndet. Experimentella gnagare modeller har historiskt varit de mest använda på grund av deras tillgänglighet, låg kostnad, reproducerbarhet och validerade metoder. Ett metriskt test, som testar förmågan att återkalla placeringen av två objekt på olika avstånd och vinklar från varandra, är en teknik för att studera försämringar i rumsligt arbetsminne (SWM) efter TBI. De betydande fördelarna med metriska uppgifter inkluderar möjligheten till dynamisk observation, låg kostnad, reproducerbarhet, relativ enkel implementering och låg stressmiljö. Här presenterar vi ett metriskt testprotokoll för att mäta försämring av SWM hos vuxna råttor efter TBI. Detta test ger ett genomförbart sätt att utvärdera fysiologi och patofysiologi av hjärnans funktion mer effektivt.
Introduction
Prevalensen av neurologiska underskott som uppmärksamhet, verkställande funktion och vissa minnesunderskott efter måttlig traumatisk hjärnskada (TBI) är mer än 50 procent1,2,3,4,5,6,7,8. TBI kan leda till allvarliga försämringar i rumsligt kortvarig, långsiktig och arbetsminne9. Dessa minnesförsämringar har observerats i gnagare modeller av TBI. Gnagare modeller har gjort det möjligt att utveckla tekniker för att testa minnet, vilket möjliggör djupare undersökningar av effekten av TBI på minnesbehandling i neurala minnessystem.
Två tester, relaterade till topologisk respektive metrisk rumslig informationsbehandling, hjälper till att mäta rumsligt arbetsminne (SWM). Det totografiska testet beror på hur stort miljöutrymmet eller relaterade anslutningsutrymmen eller kapslingar är runt ett objekt, medan måtttestet bedömer förändringar i vinklar eller avstånd mellan objekt10,11. Goodrich-Hunsaker et al. anpassade först det mänskliga topologiska testet för råttor10 och tillämpade den metriska uppgiften att skilja rollerna för parietal cortex (PC) och dorsala hippocampus i rumslig informationsbehandling11. På samma sätt utvärderade Gurkoff och kollegor metriska, topologiska och tidsmässiga beställningsminnesuppgifter efter laterala vätskepercussion skada9. Det finns ett samband mellan skador på vissa regioner i hjärnan och försämring av metriskt eller topologiskt minne. det har föreslagits att metrisk minnesförsämring är relaterad till skador i bilaterala dorsala dentate gyrus och cornu ammonis (CA) sub-region CA3 i hippocampus, och att topologiska minne nedskrivningar är relaterade till bilaterala parietal cortex organskador10,12.
Syftet med detta protokoll är att bedöma rumsliga minnesunderskott i en råtta population via en metrisk uppgift. Denna metod är ett lämpligt alternativ för att undersöka mekanismer för SWM efter hjärnskada, och dess fördelar inkluderar den relativa enkelheten i genomförandet, hög känslighet, låg kostnad för reproducerbarhet, möjligheten till dynamisk observation och en låg stressmiljö. Jämfört med andra beteendeuppgifter som Barnes labyrint13,14,Morris vattennavigeringuppgift 15,16,17, eller rumsliga labyrint uppgifter18,19, detta metriska test är mindre komplicerat. På grund av dess enkla implementering kräver det metriska testet en kortare och mindre stressig träningsperiod och äger rum under endast 2dagar 9: 1 dag för tillvänjning och 1 dag för uppgiften. Dessutom är vårt föreslagna test lättare att utföra än andra lågspänningstester, såsom den nya objektigenkänningsuppgiften (NOR) och kräver inte den extra dagen för tillvänjning20.
Detta dokument ger en enkel modell för utvärdering av SWM efter hjärnskada. Denna bedömning av swm efter TBI kan bidra till en mer omfattande undersökning av dess patofysiologi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Genom att specifikt rikta in sig på den metriska rumsliga informationsprocessen ger detta mått test ett nödvändigt verktyg för att förstå minnesbrist efter TBI. Protokollet som presenteras i det här dokumentet är en ändring av tidigare beskrivna beteendeuppgifter11. En tidigare beskriven mått uppgift använde två olika paradigm, var och en bestående av tre tillvänjnings sessioner och en test session. Det första paradigmet bestod av att flytta de bekanta objekten närmare varandra ef…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi tackar professor Olena Severynovska; Maryna Kuscheriava M.Sc; Maksym Kryvonosov M.Sc; Daryna Yakumenko M.Sc; Evgenia Goncharyk M.Sc; och Olha Shapoval, doktorand vid institutionen för fysiologi, fakulteten för biologi, ekologi och medicin, Oles Honchar Dnipro University, Dnipro, Ukraina för deras stödjande och användbara bidrag. Uppgifterna erhölls som en del av Dmitry Franks doktorsavhandling.
Materials
| 2% chlorhexidine in 70% alcohol solution | SIGMA – ALDRICH | 500 cc | For general antisepsis of the skin in the operatory field |
| Bupivacaine 0.1 % | |||
| 4 boards of different thicknesses (1.5cm, 2.5cm, 5cm and 8.5cm) | This is to evaluate neurological defect | ||
| 4-0 Nylon suture | 4-00 | ||
| Bottles | Techniplast | ACBT0262SU | 150 ml bottles filled with 100 ml of water and 100 ml 1%(w/v) sucrose solution |
| Bottlses (four) for topological an metric tasks | For objects used two little bottles, first round (height 13.5 cm) and second faceted (height 20 cm) shape and two big faceted bottles, first 9×6 cm (height 21 cm) and second 7×7 cm (height 21 cm). | ||
| Diamond Hole Saw Drill 3mm diameter | Glass Hole Saw Kit | Optional. | |
| Digital Weighing Scale | SIGMA – ALDRICH | Rs 4,000 | |
| Dissecting scissors | SIGMA – ALDRICH | Z265969 | |
| Ethanol 99.9 % | Pharmacy | 5%-10% solution used to clean equipment and remove odors | |
| EthoVision XT (Video software) | Noldus, Wageningen, Netherlands | Optional | |
| Fluid-percussion device | custom-made at the university workshop | No specific brand is recommended. | |
| Gauze Sponges | Fisher | 22-362-178 | |
| Gloves (thin laboratory gloves) | Optional. | ||
| Heater with thermometer | Heatingpad-1 | Model: HEATINGPAD-1/2 | No specific brand is recommended. |
| Horizon-XL | Mennen Medical Ltd | ||
| Isofluran, USP 100% | Piramamal Critical Care, Inc | NDC 66794-017 | Anesthetic liquid for inhalation |
| Office 365 ProPlus | Microsoft | – | Microsoft Office Excel |
| Olympus BX 40 microscope | Olympus | ||
| Operating forceps | SIGMA – ALDRICH | ||
| Operating Scissors | SIGMA – ALDRICH | ||
| PC Computer for USV recording and data analyses | Intel | Intel® core i5-6500 CPU @ 3.2GHz, 16 GB RAM, 64-bit operating system | |
| Plexiglass boxes linked by a narrow passage | Two transparent 30 cm × 20 cm × 20 cm plexiglass boxes linked by a narrow 15 cm × 15 cm × 60 cm passage | ||
| Purina Chow | Purina | 5001 | Rodent laboratory chow given to rats, mice and hamster is a life-cycle nutrition that has been used in biomedical researc for over 5 |
| Rat cages (rat home cage or another enclosure) | Techniplast | 2000P | No specific brand is recommended |
| Scalpel blades 11 | SIGMA – ALDRICH | S2771 | |
| SPSS | SPSS Inc., Chicago, IL, USA | 20 package | |
| Stereotaxic Instrument | custom-made at the university workshop | No specific brand is recommended | |
| Timing device | Interval Timer:Timing for recording USV's | Optional. Any timer will do, although it is convenient to use an interval timer if you are tickling multiple rats | |
| Topological and metric tasks device | Self made in Ben Gurion University of Negev | White circular platform 200 cm in diameter and 1 cm thick on table | |
| Video camera | Logitech | C920 HD PRO WEBCAM | Digital video camera for high definition recording of rat behavior under plus maze test |
| Windows 10 | Microsoft | ||
Riferimenti
- Binder, L. M. Persisting symptoms after mild head injury: A review of the postconcussive syndrome. Journal of Clinical and Experimental Neuropsychology. 8 (4), 323-346 (1986).
- Binder, L. M. A review of mild head trauma. Part II: Clinical implications. Journal of Clinical and Experimental Neuropsychology. 19 (3), 432-457 (1997).
- Binder, L. M., Rohling, M. L., Larrabee, G. J. A review of mild head trauma. Part I: Meta-analytic review of neuropsychological studies. Journal of Clinical and Experimental Neuropsychology. 19 (3), 421-431 (1997).
- Leininger, B. E., Gramling, S. E., Farrell, A. D., Kreutzer, J. S., Peck, E. A. Neuropsychological deficits in symptomatic minor head injury patients after concussion and mild concussion. Journal of Neurology, Neurosurgery & Psychiatry. 53 (4), 293-296 (1990).
- Levin, H. S., et al. Neurobehavioral outcome following minor head injury: a three-center study. Journal of Neurosurgery. 66 (2), 234-243 (1987).
- McMillan, T. M. Minor head injury. Current Opinion in Neurology. 10 (6), 479-483 (1997).
- Millis, S. R., et al. Long-term neuropsychological outcome after traumatic brain injury. The Journal of Head Trauma Rehabilitation. 16 (4), 343-355 (2001).
- Stuss, D., et al. Reaction time after head injury: fatigue, divided and focused attention, and consistency of performance. Journal of Neurology, Neurosurgery & Psychiatry. 52 (6), 742-748 (1989).
- Gurkoff, G. G., et al. Evaluation of metric, topological, and temporal ordering memory tasks after lateral fluid percussion injury. Journal of Neurotrauma. 30 (4), 292-300 (2013).
- Goodrich-Hunsaker, N. J., Howard, B. P., Hunsaker, M. R., Kesner, R. P. Human topological task adapted for rats: Spatial information processes of the parietal cortex. Neurobiology of Learning and Memory. 90 (2), 389-394 (2008).
- Goodrich-Hunsaker, N. J., Hunsaker, M. R., Kesner, R. P. Dissociating the role of the parietal cortex and dorsal hippocampus for spatial information processing. Behavioral Neuroscience. 119 (5), 1307 (2005).
- Goodrich-Hunsaker, N. J., Hunsaker, M. R., Kesner, R. P. The interactions and dissociations of the dorsal hippocampus subregions: how the dentate gyrus, CA3, and CA1 process spatial information. Behavioral Neuroscience. 122 (1), 16 (2008).
- Rosenfeld, C. S., Ferguson, S. A. Barnes maze testing strategies with small and large rodent models. Journal of Visualized Experiments:JoVE. (84), e51194 (2014).
- O’leary, T. P., Brown, R. E. The effects of apparatus design and test procedure on learning and memory performance of C57BL/6J mice on the Barnes maze. Journal of Neuroscience Methods. 203 (2), 315-324 (2012).
- Bromley-Brits, K., Deng, Y., Song, W. Morris water maze test for learning and memory deficits in Alzheimer’s disease model mice. Journal of Visualized Experiments:JoVE. (53), e2920 (2011).
- Smith, C., Rose, G. M. Evidence for a paradoxical sleep window for place learning in the Morris water maze. Physiology & Behavior. 59 (1), 93-97 (1996).
- Roof, R. L., Zhang, Q., Glasier, M. M., Stein, D. G. Gender-specific impairment on Morris water maze task after entorhinal cortex lesion. Behavioural Brain Research. 57 (1), 47-51 (1993).
- Deacon, R. M., Rawlins, J. N. P. T-maze alternation in the rodent. Nature Protocols. 1 (1), 7 (2006).
- Penley, S. C., Gaudet, C. M., Threlkeld, S. W. Use of an eight-arm radial water maze to assess working and reference memory following neonatal brain injury. Journal of Visualized Experiments:JoVE. (82), e50940 (2013).
- Davis, A. R., Shear, D. A., Chen, Z., Lu, X. -. C. M., Tortella, F. C. A comparison of two cognitive test paradigms in a penetrating brain injury model. Journal of Neuroscience Methods. 189 (1), 84-87 (2010).
- Jones, N. C., et al. Experimental traumatic brain injury induces a pervasive hyperanxious phenotype in rats. Journal of Neurotrauma. 25 (11), 1367-1374 (2008).
- Kabadi, S. V., Hilton, G. D., Stoica, B. A., Zapple, D. N., Faden, A. I. Fluid-percussion-induced traumatic brain injury model in rats. Nature Protocols. 5 (9), 1552 (2010).
- Ohayon, S., et al. Cell-free DNA as a marker for prediction of brain damage in traumatic brain injury in rats. Journal of Neurotrauma. 29 (2), 261-267 (2012).
- Frank, D., et al. Induction of Diffuse Axonal Brain Injury in Rats Based on Rotational Acceleration. Journal of Visualized Experiments:JoVE. (159), e61198 (2020).
- Hunter, A., et al. Functional assessments in mice and rats after focal stroke. Neuropharmacology. 39 (5), 806-816 (2000).
- Yarnell, A. M., et al. The revised neurobehavioral severity scale (NSS-R) for rodents. Current Protocols in Neuroscience. 75, 1-16 (2016).
- Fujimoto, S. T., Longhi, L., Saatman, K. E., McIntosh, T. K. Motor and cognitive function evaluation following experimental traumatic brain injury. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 28 (4), 365-378 (2004).
- Hausser, N., et al. Detecting behavioral deficits in rats after traumatic brain injury. Journal of Visualized Experiments:JoVE. (131), e56044 (2018).
- Ma, C., et al. Sex differences in traumatic brain injury: a multi-dimensional exploration in genes, hormones, cells, individuals, and society. Chinese Neurosurgical Journal. 5 (1), 1-9 (2019).
- Shahrokhi, N., Khaksari, M., Soltani, Z., Mahmoodi, M., Nakhaee, N. Effect of sex steroid hormones on brain edema, intracranial pressure, and neurologic outcomes after traumatic brain injury. Canadian Journal of Physiology and Pharmacology. 88 (4), 414-421 (2010).
- Farace, E., Alves, W. M. Do women fare worse: a metaanalysis of gender differences in traumatic brain injury outcome. Journal of Neurosurgery. 93 (4), 539-545 (2000).
- Basso, M. R., Harrington, K., Matson, M., Lowery, N. FORUM sex differences on the WMS-III: findings concerning verbal paired associates and faces. The Clinical Neuropsychologist. 14 (2), 231-235 (2000).
- Janowsky, J. S., Chavez, B., Zamboni, B. D., Orwoll, E. The cognitive neuropsychology of sex hormones in men and women. Developmental Neuropsychology. 14 (2-3), 421-440 (1998).
- Halari, R., et al. Sex differences and individual differences in cognitive performance and their relationship to endogenous gonadal hormones and gonadotropins. Behavioral Neuroscience. 119 (1), 104 (2005).
- Rowe, R. K., Griffiths, D., Lifshitz, J. . Pre-Clinical and Clinical Methods in Brain Trauma Research. , 97-110 (2018).
- Kabadi, S. V., Hilton, G. D., Stoica, B. A., Zapple, D. N., Faden, A. I. Fluid-percussion-induced traumatic brain injury model in rats. Nature Protocols. 5 (9), 1552-1563 (2010).
- Losurdo, M., Davidsson, J., Sköld, M. K. Diffuse axonal injury in the rat brain: axonal injury and oligodendrocyte activity following rotational injury. Brain Sciences. 10 (4), 229 (2020).
- Kuts, R., et al. A novel method for assessing cerebral edema, infarcted zone and blood-brain barrier breakdown in a single post-stroke rodent brain. Frontiers in Neuroscience. 13, 1105 (2019).
