Un test metrico per valutare la memoria di lavoro spaziale nei ratti adulti a seguito di lesioni cerebrali traumatiche
Summary
La lesione cerebrale traumatica (TBI) è comunemente associata a compromissione della memoria. Qui, presentiamo un protocollo per valutare la memoria di lavoro spaziale dopo TBI tramite un’attività metrica. Un test metrico è uno strumento utile per studiare la compromissione della memoria di lavoro spaziale dopo TBI.
Abstract
Le menomazioni alla memoria sensoriale, a breve termine e a lungo termine sono effetti collaterali comuni dopo lesioni cerebrali traumatiche (TBI). A causa dei limiti etici degli studi sull’uomo, i modelli animali forniscono alternative adeguate ai metodi di trattamento dei test e per studiare i meccanismi e le relative complicanze della condizione. I modelli sperimentali di roditori sono stati storicamente i più utilizzati grazie alla loro accessibilità, basso costo, riproducibilità e approcci convalidati. Un test metrico, che verifica la capacità di richiamare il posizionamento di due oggetti a varie distanze e angoli l’uno dall’altro, è una tecnica per studiare la compromissione della memoria di lavoro spaziale (SWM) dopo TBI. I vantaggi significativi delle attività metriche includono la possibilità di osservazione dinamica, basso costo, riproducibilità, relativa facilità di implementazione e ambiente a basso stress. Qui, presentiamo un protocollo di test metrico per misurare la compromissione di SWM nei ratti adulti dopo TBI. Questo test fornisce un modo fattibile per valutare la fisiologia e la fisiopatologia della funzione cerebrale in modo più efficace.
Introduction
La prevalenza di deficit neurologici come l’attenzione, la funzione esecutiva e alcuni deficit di memoria dopo una moderata lesione cerebrale traumatica (TBI) è superiore al 50%1,2,3,4,5,6,7,8. Tbi può portare a gravi menomazioni nella memoria spaziale a breve termine, a lungo termine e di lavoro9. Queste compromissioni della memoria sono state osservate in modelli di roditori di TBI. I modelli di roditori hanno permesso lo sviluppo di tecniche per testare la memoria, consentendo esami più approfonditi sull’effetto del TBI sull’elaborazione della memoria nei sistemi di memoria neurale.
Due test, relativi rispettivamente all’elaborazione delle informazioni spaziali topologiche e metriche, aiutano a misurare la memoria di lavoro spaziale (SWM). Il test topologico dipende dalla modifica delle dimensioni dello spazio ambientale o degli spazi correlati di connessione o involucro attorno a un oggetto, mentre il test metrico valuta i cambiamenti di angoli o distanza tra gli oggetti10,11. Goodrich-Hunsaker et al. hanno prima adattato il test topologico umano per i ratti10 e applicato il compito metrico per dissociare i ruoli della corteccia parietale (PC) e dell’ippocampo dorsale nell’elaborazione delle informazioni spaziali11. Allo stesso modo, Gurkoff e colleghi hanno valutato compiti di memoria metrica, topologica e temporale dopo la lesione da percussione del fluido laterale9. Esiste una correlazione tra il danno a determinate regioni del cervello e la compromissione della memoria metrica o topologica. È stato suggerito che la compromissione della memoria metrica è correlata a lesioni nel giro dentato dorsale bilaterale e nella sottoregione del cornu ammonis (CA) CA3 dell’ippocampo e che la compromissione della memoria topologica è correlata alle lesioni bilaterali della corteccia parietale10,12.
Lo scopo di questo protocollo è quello di valutare il deficit di memoria spaziale in una popolazione di ratti tramite un compito metrico. Questo metodo è un’alternativa adatta per studiare i meccanismi di SWM dopo una lesione cerebrale e i suoi vantaggi includono la relativa facilità di implementazione, l’alta sensibilità, il basso costo di riproducibilità, la possibilità di osservazione dinamica e un ambiente a basso stress. Rispetto ad altri compiti comportamentali come il labirinto di Barnes13,14,il compito di navigazione in acqua Morris15,16,17o i compiti del labirinto spaziale18,19,questo test metrico è meno complicato. Grazie alla sua facilità di implementazione, il test metrico richiede un periodo di allenamento più breve e meno stressante e si svolge in soli 2 giorni9:1 giorno per l’assuefazione e 1 giorno per il compito. Inoltre, il nostro test proposto è più facile da eseguire rispetto ad altri test a basso stress, come il nuovo compito di riconoscimento degli oggetti (NOR) e non richiede il giorno in più di assuefazione20.
Questo documento fornisce un modello semplice per valutare SWM dopo una lesione cerebrale. Questa valutazione del SWM post-TBI può aiutare in un’indagine più completa della sua fisiopatologia.
Protocol
Representative Results
Discussion
Prendendo di mira in modo specifico il processo di informazione spaziale metrica, questo test metrico fornisce uno strumento necessario per comprendere la carenza di memoria dopo TBI. Il protocollo presentato in questo documento è una modifica delle attività comportamentali precedentemente descritte11. Un’attività metrica descritta in precedenza utilizzava due diversi paradigmi, ciascuno costituito da tre sessioni di assuefazione e una sessione di test. Il primo paradigma consisteva nello spost…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo la professoressa Olena Severynovska; Maryna Kuscheriava M.Sc; Maksym Kryvonosov M.Sc; Daryna Yakumenko M.Sc; Evgenia Goncharyk M.Sc; e Olha Shapoval, dottoranda presso il Dipartimento di Fisiologia, Facoltà di Biologia, Ecologia e Medicina, Oles Honchar Dnipro University, Dnipro, Ucraina per i loro contributi di supporto e utili. I dati sono stati ottenuti come parte della tesi di dottorato di Dmitry Frank.
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).
