Summary

Sozialer Bedrohungs-Sicherheits-Test deckt psychosoziale Stress-bedingte Phänotypen auf

Published: December 15, 2023
doi:

Summary

Der soziale Bedrohungs-Sicherheits-Test ermöglicht eine gleichzeitige Bewertung der Entwicklung sozialer Vermeidung als Maß für aversives konditioniertes Lernen und soziale Bedrohungs-Sicherheits-Unterscheidungsfähigkeit, die beide verwendet werden, um stressanfällige und stressresistente Individuen innerhalb einer einzigen Gruppe von chronisch sozial besiegten männlichen Mäusen zu identifizieren.

Abstract

Sozialer Stress ist eine der Hauptursachen für die Entstehung psychischer Störungen. Um den translationalen Wert präklinischer Studien zu erhöhen, sollten soziale Stresserfahrungen und ihre Auswirkungen auf das Verhalten von Mäusen mit denen des Menschen vergleichbar sein. Chronische soziale Niederlagen (CSD) nutzen eine Art von sozialem Stress, der körperliche Angriffe und sensorische Bedrohungen beinhaltet, um psychische Funktionsstörungen hervorzurufen, die menschlichen affektiven Störungen ähneln. Um die psychosoziale Komponente der CSD zu stärken, wurde ein 10-tägiges CSD-Protokoll angewendet, bei dem die täglichen körperlichen Attacken auf drei 10-Sekunden-Episoden standardisiert werden, gefolgt von einer 24-stündigen sensorischen Phase. Nach der 10. sensorischen Phase folgt auf das CSD-Protokoll ein verfeinerter Verhaltenstest, der als Social Threat-Safety Test (STST) bezeichnet wird. Post-Stress-Verhaltenstests müssen bestimmen, wie und in welchem Ausmaß der soziale Stressor das Verhalten beeinflusst hat. Der STST ermöglicht es chronisch sozial besiegten männlichen Mäusen, mit 2 neuen männlichen Individuen (sozialen Zielen) zu interagieren: einem sozialen Ziel aus dem angreifenden Stamm, der während der CSD-Tage aufgetreten ist, und dem anderen aus einem neuartigen Stamm. Beide werden gleichzeitig in verschiedenen Kammern einer dreikammerigen Testarena präsentiert. Der Test ermöglicht eine gleichzeitige Beurteilung der Entwicklung sozialer Vermeidung, um erfolgreiches aversives konditioniertes Lernen und die Fähigkeit zur Unterscheidung sozialer Bedrohungen und Sicherheit zu messen. Die Entwicklung der sozialen Vermeidung gegenüber beiden Stämmen spiegelt eine generalisierte aversive Reaktion und damit eine Messung der Stressanfälligkeit wider. Währenddessen spiegelt die Entwicklung der sozialen Vermeidung gegenüber dem angreifenden Stamm eine Bedrohungs-Sicherheits-Diskriminierung und damit ein Maß für die Stressresilienz wider. Schließlich spiegelt das Fehlen einer sozialen Vermeidung gegenüber dem angreifenden Stamm ein beeinträchtigtes aversives konditioniertes Lernen wider. Das Protokoll zielt darauf ab, die derzeit verwendeten Mausmodelle der Stressanfälligkeit/Resilienz zu verfeinern, indem translationale Kriterien, insbesondere Bedrohungs-Sicherheits-Diskriminierung und aversive Reaktionsgeneralisierung, einbezogen werden, um eine einzelne Gruppe von chronisch sozial besiegten Tieren in resiliente und anfällige Untergruppen zu kategorisieren und schließlich zukünftige translationale Ansätze voranzutreiben.

Introduction

Stress ist definiert als die Störung der Homöostase durch physische oder psychische Reize1. Stress ist ein bekannter Hauptrisikofaktor für die Entwicklung psychischer Störungen wie posttraumatische Belastungsstörungen, Depressionen und Angstzustände 2,3. Insbesondere sozialer Stress gilt als wesentlicher Risikofaktor für die Entstehung stressbedingter psychischer Störungen4. Eine Art von sozialem Stress, der in der Forschung besonders an Bedeutung gewonnen hat, ist der soziale Unterordnungsstress5. Mäuse sind wie Menschen zu einem reichhaltigen Sozialverhalten fähig6, was sie für Untersuchungen mit sozialem Stress geeignet macht. Wenn erwachsene Mäuse im Labor in Gruppen untergebracht werden, etablieren sie eine soziale Struktur, die die Bildung von Rängen7 beinhaltet. Dementsprechend wurde das Koloniemodell entwickelt, um die Auswirkungen von natürlich etablierten sozialen Hierarchien in gemischtgeschlechtlichen Gruppen von Mäusen zu untersuchen8. Im Laufe der Jahre wurden Variationen des Koloniemodells entwickelt, um sozialen Unterordnungsstress zu nutzen, darunter gleichgeschlechtliche Gruppenmodelle, das Modell der sozialen Instabilität und das Eindringlingskoloniemodell. In den letzten Jahren wurde jedoch eine bestimmte Variante, die als männliches Bewohner-Eindringlings-Modell bekannt ist, in der Literatur populär gemacht, da sie die soziale Komplexität auf zwei Mäuse vereinfacht: einen Bewohner und einen Eindringling. Das Tier von Interesse, bekannt als Eindringling, wird in den Käfig eines größeren, älteren und pensionierten Züchters gesetzt, der als Bewohner oder Aggressor bekannt ist. Der Bewohner greift den Eindringling dann als Konfrontationsmethode körperlich an und etabliert eine soziale Hierarchie, in der der Bewohner dominant und der Eindringling untergeordnet ist. Wenn es sich bei Konfrontationen um einmalige Ereignisse handelt, werden sie als “akut” klassifiziert (das “akute soziale Niederlagenmodell”), während wiederholte Konfrontationen, die sich über mehrere Tage (in der Regel 10) erstrecken, als “chronisch” bezeichnet werden (das “chronische soziale Niederlagenmodell”). Im Modell der chronischen sozialen Niederlage (CSD) sind die Attacken intermittent und in der Regel auf einen Zeitraum von 5-10 Minuten9 beschränkt, der als körperliche Phase bezeichnet wird. Nach der physischen Phase werden der Eindringling und der Bewohner über Nacht im selben Käfig gehalten, der durch eine Netzwand in zwei Hälften getrennt ist, so dass alle Formen der Interaktion außer Körperkontakt möglich sind. Diese Konfiguration, die als sensorische Phase bezeichnet wird, induziert Stress durch das kontinuierliche Auftreten von Bedrohung anstelle einer direkten körperlichen Konfrontation. Im Jahr 2018 führten van der Kooji und Kollegen eine modifizierte Behandlung chronischer sozialer Niederlagen ein, um sich auf die psychosoziale Komponente des Modells zu konzentrieren, indem die körperliche Phase standardisiert und streng begrenztwird 10. Das modifizierte Modell begrenzt die körperlichen Angriffe auf drei 10-Sekunden-Episoden mit verschiedenen Bewohnern, die in 15-minütigen Intervallen zwischen den Episoden der sensorischen Phase auftreten. Nach der dritten körperlichen Episode dauert die sensorische Phase über Nacht. Dieser Zyklus wiederholt sich an 10 aufeinanderfolgenden Tagen mit neuen Bewohnern pro Episode. Die modifizierte Behandlung erhöht die translationale Validität des Modells der chronischen sozialen Niederlage, da der physische Schaden des Eindringlings minimiert wird und die Ergebnisvariabilität aufgrund der unterschiedlichen Dauer der körperlichen Angriffe reduziert wird.

Da das CSD-Modell zur Untersuchung stressbedingter Krankheiten (z. B. Depressionen, Angstzustände, posttraumatische Belastungsstörungen) verwendet wird, werden post-behaviorale Assays gewählt, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Verhaltensassays zu Aggression, Gedächtnis und Anhedonie. In den letzten Jahren wurde in Post-CSD-Verhaltenstests an Mäusen häufig untersucht, wie und in welchem Ausmaß die Geselligkeit beeinträchtigt wird9. Geselligkeit ist definiert als die angeborene Vorliebe von Mäusen, sozial zu interagieren, anstatt einen Artgenossen sozial zu meiden. Da die Geselligkeit Stresseffekten unterliegt, wurden Assays etabliert, die ausschließlich die Entwicklung sozialer Vermeidung erfassen. Stressinduzierte soziale Vermeidung hat eine translationale Relevanz, da sie eines der Hauptverhaltenssymptome von sozialer Angst und Depression beim Menschen darstellt11. Ähnlich wie beim Menschen entwickeln nicht alle Mäuse nach einer CSD-Behandlung eine soziale Vermeidung, was auf das Vorhandensein von Individualität in der Stressreaktion hindeutet. Cohen und Kollegen haben Cut-off-Verhaltenskriterien als vielversprechenden Ansatz für die Untersuchung der Neurobiologie der Individualität vorgeschlagen12. Die Selektion der Tiere auf der Grundlage des Verhaltens führt zu einer Gruppeneinteilung, was die Grundlage für Gen-Umwelt-Studien unterstreicht. In der Folge zeigen verschiedene Untergruppen oft eine deutliche Anreicherung spezifischer genetischer Varianten/Modifikationen, die wiederum unter verschiedenen Umweltbedingungen untersucht werden können13. Dementsprechend wurde die Individualität in der Entwicklung der sozialen Vermeidung genutzt, um die einzelne Gruppe der chronisch sozial besiegten männlichen Mäuse in zwei Untergruppen zu unterteilen: stressanfällig (sozial vermeidend) und stressresilient (sozial nicht vermeidend 9,14). Die Interpretation des Phänotyps der sozialen Vermeidung bei Mäusen als maladaptives oder adaptives Verhalten sollte jedoch sowohl im Gesamtkontext der Behandlung (hier CSD) als auch des Verhaltenstests nach der Behandlung betrachtet werden. Darüber hinaus würde der Verhaltenstest nach der Behandlung idealerweise andere Facetten der Geselligkeit und nicht nur die Entwicklung sozialer Vermeidung bewerten. Unsere jüngsten Arbeiten zeigten die Beteiligung von konditioniertem Lernen an CSD-induzierter sozialer Vermeidung15. Konkret handelt es sich bei der CSD-induzierten sozialen Vermeidung um eine aversive konditionierte Reaktion auf die charakterisierenden Merkmale des Bewohnerstamms, die als konditionierter Stimulus für den unkonditionierten Stimulus dienen, nämlich die Angriffe der Bewohner. Darüber hinaus können einige Individuen innerhalb der sozial vermeidenden Untergruppe zwischen den Merkmalen des aversiven Residentenstamms und denen anderer sicherer neuer Stämme unterscheiden, während andere Individuen eine generalisierte soziale Vermeidung beider Stämme zeigen. Wir schlagen hier einen verfeinerten Verhaltenstest nach dem CSD vor: den Social Threat-Safety Test (STST)15. Im Gegensatz zu anderen sozialen Interaktionstests9 ermöglicht der STST eine gleichzeitige Bewertung der Entwicklung sozialer Vermeidung als Messung der korrekten aversiven konditionierten Reaktion (d. h. des erfolgreichen konditionierten Lernens) und der Fähigkeit zur Unterscheidung sozialer Bedrohungen und Sicherheit, die beide verwendet werden, um stressanfällige und stressresistente Individuen innerhalb einer einzigen Gruppe von chronisch sozial besiegten männlichen Mäusen zu identifizieren. Die Bewertung der sozialen Bedrohungs-Sicherheits-Diskriminierung im Vergleich zur aversiven Verallgemeinerung erweitert die translationalen Kriterien, die zur Klassifizierung der einzelnen Gruppe chronisch sozial besiegter Tiere in widerstandsfähige und empfängliche Untergruppen verwendet werden.

Protocol

Alle Verfahren wurden in Übereinstimmung mit der Richtlinie des Rates der Europäischen Gemeinschaften über die Pflege und Verwendung von Tieren für Versuchsverfahren durchgeführt und vom Landesuntersuchungsamt Rheinland-Pfalz genehmigt. Abbildung 1 zeigt eine schematische Zeitleiste. 1. Behandlung Tiere von Interesse: Besorgen Sie männliche C57BL6/J-Mäuse im Alter von 7 Wochen und bei der Ankunft in einem 12-stündigen Hell-Dunkel…

Representative Results

Sozialer Interaktionsindex als Maß für aversive konditionierte ReaktionenEin sozialer Interaktionsindex ≥1 spiegelt eine größere soziale Interaktion mit dem jeweiligen sozialen Ziel im Vergleich zur Erkundung der leeren Gittergehege wider. Unter Ausgangsbedingungen, die hier so definiert sind, dass sie weder appetitive noch aversive Erfahrungen mit den charakteristischen Merkmalen eines bestimmten Stammes haben (hier sowohl soziale Ziele für die Kontrollgruppe als auch das soziale Ziel 129/Sv …

Discussion

Das Verhaltensprotokoll beschreibt hier den Social Threat-Safety Test, der verwendet wird, um eine einzelne Gruppe nach einer CSD-Behandlung in drei verschiedene Untergruppen zu unterteilen, um die zugrunde liegende Biologie der Stressanfälligkeit und Resilienz zu untersuchen und mögliche Therapien zu testen. Der biologische Kontext und die technischen Details müssen sorgfältig berücksichtigt werden, um ein gründliches Versuchsdesign zu leiten.

Unterschiedliche Haltungsbedingungen könne…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Forschung wird durch den Sonderforschungsbereich 1193, Teilprojekt Z02, gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (SFB1193, Neurobiologie der Resilienz) und die Boehringer Ingelheim Stiftung gefördert (Förderung an Leibniz-Institut für Resilienzforschung und individuelle Phänotypisierung und hochauflösende automatisierte Verhaltensanalyse). Wir bedanken uns bei Dr. Konstantin Radyushkin und Frau Sandra Reichel für ihre fachliche Unterstützung sowie bei Frau Hanna Kim für ihre Unterstützung in englischer Sprache. Die Geldgeber waren nicht an der Modellgestaltung beteiligt; Erhebung, Analyse und Interpretation von Daten; bei der Abfassung des Protokolls; und bei der Entscheidung, das Protokoll zur Veröffentlichung vorzulegen.

Materials

Arenas Noldus, Sociability cage, Wageningen, the Netherlands https://www.noldus.com/applications/sociability-cage Three-chambered, rectangle in shape with a total size of 60 cm x  40 cm, made of acrylic transparent walls and smooth floors
Camera for video recording Basler AG, Germany
An der Strusbek 60-62
22926 Ahrensburg
 ace Classic
acA1300-60gc
If using automatic detection program, make sure cameras are compatible
Camera objective KOWA Kowa Optimed Deutschland GmbH
Fichtenstr. 123
40233 Duesseldorf: LMVZ4411 | 1/1.8" 4.4~11mm Varifokal Objektiv
Part-No. 10504
Detection program/Timer  Noldus, EthoVision-XT, Wageningen, the Netherlands https://www.noldus.com/ethovision-xt Detection can be achieved either manually (using a timer or a software for manual scoring) or automatically
Housing cages ZOONLAB GmbH, Hermannstraße 6,
44579 Castrop-Rauxel
3010010 Type 2 cages: 265 mm x 205 mm x 140 mm (l x w x h) i.e. 360 cm² bottom area. Made of Polycarbonate (Makrolone©) and Polysulfone. Lids are made of stainless steel. European standard cages for up to 5 mice (20–25 g). Autoclavable up to 134 °C
Mesh enclosures  Part of the Arena Package: Noldus, Sociability cage, Wageningen, the Netherlands https://www.noldus.com/applications/sociability-cage Small acrylic or metal cage-like with a diameter of 100 mm and a height of 200 mm with openings of a 10 mm in size. Two mesh enclosures per arena would work but four is preferable (see point 2.5 in protocol)
Mesh wall selfmade N/A Acrylic or metal, one for each cage. Size depends on cages used. The walls must not allow the two animals to have a physical contact
Social targets: Mice of the strains CD-1 and 129/Sv; retired male breeders Mice provided by Charles River:
Strain name: CD-1®IGS Mouse
129S2/SvPasCrl 
Crl:CD1(ICR); 129S2/SvPasCrl  CD-1 and 129/Sv retired male breeders, single-housed, novel (unknown) conspecifics to the animals of interest. If retired male breeders are not available then males older than 1 year from both strains would suffice

References

  1. Hyman, S. E. How mice cope with stressful social situations. Cell. 131 (2), 232-234 (2007).
  2. Kessler, R. C. The effects of stressful life events on depression. Annual Review of Psychology. 48 (1), 191-214 (1997).
  3. Vos, T., et al. Global, regional, and national incidence, prevalence, and years lived with disability for 301 acute and chronic diseases and injuries in 188 countries, 1990-2013: A systematic analysis for the Global Burden of Disease Study, 2013. The Lancet. 386 (9995), 743-800 (2015).
  4. Björkqvist, K. Social defeat as a stressor in humans. Physiology & Behavior. 73 (3), 435-442 (2001).
  5. Blanchard, R. J., McKittrick, C. R., Blanchard, D. C. Animal models of social stress: effects on behavior and brain neurochemical systems. Physiology & Behavior. 73 (3), 261-271 (2001).
  6. Singleton, G. R., Krebs, C. J. Chapter 3- The Secret World of Wild Mice. The Mouse in Biomedical Research. American College of Laboratory Animal Medicine. The Mouse in Biomedical Research (Second Edition). 1, 25-51 (2007).
  7. Kondrakiewicz, K., Kostecki, M., Szadzińska, W., Knapska, E. Ecological validity of social interaction tests in rats and mice. Genes, Brain, and Behavior. 18 (1), e12525 (2019).
  8. Martinez, M., Calvo-Torrent, A., Pico-Alfonso, M. A. Social defeat and subordination as models of social stress in laboratory rodents: a review. Aggressive Behavior: Official Journal of the International Society for Research on Aggression. 24 (4), 241-256 (1998).
  9. Golden, S. A., Covington III, H. E., Berton, O., Russo, S. J. A standardized protocol for repeated social defeat stress in mice. Nature Protocols. 6 (8), 1183 (2011).
  10. van der Kooij, M. A., et al. Chronic social stress-induced hyperglycemia in mice couples individual stress susceptibility to impaired spatial memory. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (43), E10187-E10196 (2018).
  11. Chartier, M. J., Walker, J. R., Stein, M. B. Considering comorbidity in social phobia. Social Psychiatry and Psychiatric Epidemiology. 38 (12), 728-734 (2003).
  12. Cohen, H., Zohar, J., Matar, M. A., Kaplan, Z., Geva, A. B. Unsupervised fuzzy clustering analysis supports behavioral cutoff criteria in an animal model of post-traumatic stress disorder. Biological Psychiatry. 58 (8), 640-650 (2005).
  13. Scharf, S. H., Schmidt, M. V. Animal models of stress vulnerability and resilience in translational research. Current Psychiatry Reports. 14 (2), 159-165 (2012).
  14. Krishnan, V., et al. Molecular adaptations underlying susceptibility and resistance to social defeat in brain reward regions. Cell. 131 (2), 391-404 (2007).
  15. Ayash, S., Schmitt, U., Müller, M. B. Chronic social defeat-induced social avoidance as a proxy of stress resilience in mice involves conditioned learning. Journal of Psychiatric Research. 120, 64-71 (2020).
  16. Ayash, S., et al. Fear circuit-based neurobehavioural signatures mirror resilience to chronic social stress in mouse. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 120 (17), e2205576120 (2023).
  17. Duits, P., et al. Updated meta-analysis of classical fear conditioning in the anxiety disorders. Depression and Anxiety. 32 (4), 239-253 (2015).
  18. Coifman, K. G., Bonanno, G. A., Rafaeli, E. Affect dynamics, bereavement, and resilience to loss. Journal of Happiness Studies. 8 (3), 371-392 (2007).
  19. Waugh, C. E., Thompson, R. J., Gotlib, I. H. Flexible emotional responsiveness in trait resilience. Emotion. 11 (5), 1059 (2011).
  20. Bonanno, G. A. Loss, trauma, and human resilience: Have we underestimated the human capacity to thrive after extremely aversive events. American Psychologist. 59 (1), 20 (2004).
  21. Bonanno, G. A. Resilience in the face of potential trauma. Current Directions in Psychological Science. 14 (3), 135-138 (2005).
  22. Yehuda, R., Flory, J. D., Southwick, S., Charney, D. S. Developing an agenda for translational studies of resilience and vulnerability following trauma exposure. Annals of the New York Academy of Sciences. 1071 (1), 379-396 (2006).
  23. Grillon, C., Morgan III, C. A. Fear-potentiated startle conditioning to explicit and contextual cues in Gulf War veterans with post-traumatic stress disorder. Journal of Abnormal Psychology. 108 (1), 134 (1999).
  24. Brewin, C. R. A cognitive neuroscience account of post-traumatic stress disorder and its treatment. Behaviour Research and Therapy. 39 (4), 373-393 (2001).
  25. Milad, M. R., Rauch, S. L., Pitman, R. K., Quirk, G. J. Fear extinction in rats: implications for human brain imaging and anxiety disorders. Biological Psychology. 73 (1), 61-71 (2006).
  26. Jovanovic, T., Norrholm, S. D. Neural mechanisms of impaired fear inhibition in post-traumatic stress disorder. Frontiers in Behavioral Neuroscience. 5, 44 (2011).
  27. Morton, D. B., Griffiths, P. H. Guidelines on the recognition of pain, distress and discomfort in experimental animals and an hypothesis for assessment. The Veterinary Record. 116 (6), 431-436 (1985).
  28. Goldsmith, J. F., Brain, P. F., Benton, D. Effects of the duration of individual or group housing on behavioural and adrenocortical reactivity in male mice. Physiology & Behavior. 21 (5), 757-760 (1978).
  29. Cairns, R. B., Hood, K. E., Midlam, J. On fighting in mice: Is there a sensitive period for isolation effects. Animal Behaviour. 33 (1), 166-180 (1985).
  30. Varlinskaya, E. I., Spear, L. P., Spear, N. E. Social behavior and social motivation in adolescent rats: role of housing conditions and partner’s activity. Physiology & Behavior. 67 (4), 475-482 (1999).
  31. Sial, O. K., Warren, B. L., Alcantara, L. F., Parise, E. M., Bolaños-Guzmán, C. A. Vicarious social defeat stress: Bridging the gap between physical and emotional stress. Journal of Neuroscience Methods. 258, 94-103 (2016).
  32. Brown, R. E., Brown, R. E., Macdonald, D. W. . The rodents II. Suborder Myomorpha. [In: Social Odours in Mammals]. 1, (1985).
  33. Haney, M., Miczek, K. A. Ultrasounds during agonistic interactions between female rats (Rattus norvegicus). Journal of Comparative Psychology. 107 (4), 373 (1993).
  34. Warren, B. L., et al. Neurobiological sequelae of witnessing stressful events in adult mice. Biological Psychiatry. 73 (1), 7-14 (2013).
  35. Malatynska, E., Knapp, R. J. Dominant-submissive behavior as models of mania and depression. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 29 (4-5), 715-737 (2005).
  36. Avgustinovich, D. F., Kovalenko, I. L., Kudryavtseva, N. N. A model of anxious depression: persistence of behavioral pathology. Neuroscience and Behavioral Physiology. 35 (9), 917-924 (2005).
  37. Vennin, C., et al. A resilience related glial-neurovascular network is transcriptionally activated after chronic social defeat in male mice. Cells. 11 (21), 3405 (2022).
  38. Ayash, S., Schmitt, U., Lyons, D. M., Müller, M. B. Stress inoculation in mice induces global resilience. Translational Psychiatry. 10 (1), 200 (2020).
  39. Yuan, R., et al. Long-term effects of intermittent early life stress on primate prefrontal-subcortical functional connectivity. Neuropsychopharmacology. 46 (7), 1348-1356 (2021).
  40. Lyons, D. M., Ayash, S., Schatzberg, A. F., Müller, M. B. Ecological validity of social defeat stressors in mouse models of vulnerability and resilience. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 145, 105032 (2023).
  41. Oizumi, H., et al. Influence of aging on the behavioral phenotypes of C57BL/6J mice after social defeat. PLoS One. 14 (9), e0222076 (2019).

Play Video

Cite This Article
Ayash, S., Müller, M., Schmitt, U. Social Threat-Safety Test Uncovers Psychosocial Stress-Related Phenotypes. J. Vis. Exp. (202), e65640, doi:10.3791/65640 (2023).

View Video