Rodents are an appropriate model to investigate the molecular substrates of behavior and complex psychiatric disorders. Brain microinjection in awake rodents can be used to elucidate disease substrates. An efficient and customizable brain microinjection method as well as the execution of an operant paradigm that quantifies motivation is presented.
Brain microinjection can aid elucidation of the molecular substrates of complex behaviors, such as motivation. For this purpose rodents can serve as appropriate models, partly because the response to behaviorally relevant stimuli and the circuitry parsing stimulus-action outcomes is astonishingly similar between humans and rodents. In studying molecular substrates of complex behaviors, the microinjection of reagents that modify, augment, or silence specific systems is an invaluable technique. However, it is crucial that the microinjection site is precisely targeted in order to aid interpretation of the results. We present a method for the manufacture of surgical implements and microinjection needles that enables accurate microinjection and unlimited customizability with minimal cost. Importantly, this technique can be successfully completed in awake rodents if conducted in conjunction with other JoVE articles that covered requisite surgical procedures. Additionally, there are many behavioral paradigms that are well suited for measuring motivation. The progressive ratio is a commonly used method that quantifies the efficacy of a reinforcer to maintain responding despite an (often exponentially) increasing work requirement. This assay is sensitive to reinforcer magnitude and pharmacological manipulations, which allows reinforcing efficacy and/ or motivation to be determined. We also present a straightforward approach to program operant software to accommodate a progressive ratio reinforcement schedule.
Rodents and humans respond in remarkably similar ways to behaviorally relevant stimuli1-3. This suggests that rodents are appropriate subjects for elucidating the molecular substrates of behavior and complex psychiatric conditions4. Understanding the molecular substrates of complex behavioral processes, such as motivation, frequently requires brain microinjection. Both the brain microinjection technique and a primary motivation assay will be presented here. Rats will be used as subjects, but these procedures can readily be adapted to well-handled mice. Included herein are procedures for the manufacture of the required cannulae, obturators (dummy cannulae or stylets), and microinjectors. The method presented is significantly more flexible and more cost-efficient than prefabricated implements. This flexibility will prove valuable when optimizing conditions. Importantly, because the microinjection procedure can be used to test a myriad of hypotheses; the techniques presented here should be broadly applicable. For example, receptor ligands can be microinjected to understand neurochemistry3,5,6; cell-permeable peptides and small-molecules can be microinjected to understand intracellular signaling pathways7-10; toxins, ion channel blockers, or antagonist cocktails can be microinjected to understand circuitry1,11,12.
While the generic protocol presented here can be readily adapted by the user for their particular needs, the procedure is particularly well suited for behavioral assays since microinjection occurs in awake rodents that are only under mild hand restraint. No anesthesia or special restraints are required. This is possible because the brain itself lacks pain sensation. However, if anesthesia is not used, microinjection must occur through cannulae that were previously stereotaxically implanted. This is because nociceptors are present on the scalp, meninges,13 which are the membranes surrounding the brain, and the periosteum,14 which is the membrane covering the skull. It should be noted that microinjection under anesthesia is sometimes desirable. One example is when the virus is being injected, and one may wish to inject virus directly through either stainless steal needles15 or glass pipettes because this can reduce tissue damage and improve transduction efficiency.16,17 The microinjectors described below can be modified for this purpose and suggestions on how to do this can be found in the Discussion. Because other JoVE articles have demonstrated stereotaxic brain cannula implantation,18-20 these procedures will not be covered here.
We present these microinjection procedures together with an assay that quantifies motivation. Several rodent models of motivated behavior are currently in use, such as the runway box and barrier scaling. Here, we describe how to use an operant progressive ratio schedule of reinforcement to quantify motivation where operant responding is being maintained by a reinforcer. Responding on the progressive ratio is responsive to reinforcer magnitude.21,22 Accordingly, this assay is routinely used as a proxy for motivation and/or reinforcing efficacy. 21,23-30 Because several excellent reviews have covered this topic in detail,21,24 we will focus mainly on practical concerns.
De hier voorgestelde werkwijze is een efficiënt middel om microinjectie canules en microinjectors die zullen helpen bij het ophelderen van de moleculaire substraten gemotiveerd gedrag produceren. Deze methode biedt verschillende voordelen. Ten eerste, door de productie van het eigen implantaten en microinjectors, nieuwe experimentele parameters kan snel worden geoptimaliseerd, dat wil zeggen, hoeft men niet te wachten op maat gemaakte onderdelen te komen. Ten tweede, als gevolg van de kleine diameter van de canule, meer canules gelijktijdig worden geïmplanteerd. Dit verkort de vereiste chirurgische tijd, die overlevingskansen kan verbeteren, en maakt ook meerdere implantaten per dier. Ten derde, de software waarmee de operante kamers besturen gemakkelijk geschikt progressieve verhouding schema aangezien een vaste verhouding paradigma snel worden omgezet in een progressieve verhouding paradigma door eenvoudig aanbrengen van een gebeurtenis overgang parameter lijst die de gewenste versterking schema bevat.
Zijnalgemeen nuttig, micro-injectie werd een algemene procedure voorgesteld die in het algemeen toepasbaar voor de micro-injectie van vrijwel elk reagens momenteel beschikbaar moeten zijn. Daarom verwachten we dat deze techniek blijft vergelijkbare hoge gebruikswaarde in de toekomst met kleine wijziging worden. Door het veranderen van slechts enkele variabelen, kan deze benadering worden toegepast op een groot aantal reagentia. Parameters die het vaakst worden gemanipuleerd omvatten de lengte die de microinjector uitsteekt uit de canule, injectievolume en injectiesnelheid. Zo kan men wil dat de injector verder uitsteken van de canule-uiteinde naar het gliale litteken gewoonlijk vormt rond chronische implantaten te voorkomen. Bovendien kan men wensen om een groter volume te injecteren. Voor striatale virus micro-injecties, wordt een volume van 1 ui kenmerkend gebruikt en deze hoeveelheid wordt gewoonlijk geïnjecteerd over een langere periode (vaak 7-10 min plus 3 – 10 min aanvullende diffusie tijd) in vergelijking met die gebruikd voor farmacologische reagentia (typisch 0,3-0,5 ul meer dan 2 – 3 min plus 1-3 min extra diffusie tijd). De gebruiker moet de literatuur raadplegen en / of empirisch bepalen van de parameters die het meest geschikt voor hun behoeften. Ondanks het succes van deze procedure is kritisch afhankelijk van variabelen 4: 1) canule lengte, 2) microinjectie length, 3) de kwaliteit van microinjectie spuitpatroon, en 4) de integriteit van het systeem voorafgaand aan injectie. Omdat microinjectie locatie afhankelijk van de diepte die de microinjector uitsteekt uit de canule, is het noodzakelijk dat beide canules (stap 1.2.8) en microinjectie lengte (na buiging, stap 2.2.1) beide nauwkeurig bekend en uniform tussen alle vakken . Dit kan gemakkelijk worden geregeld door eenvoudig verwerpen elk werktuig dat niet de vereiste lengte van het uiteindelijke opnieuw meten. Bovendien kan de injectie locatie alleen voorspeld als het direct onder de geleidingscanule optreedt. Dus elke microinjector dat does niet spuit een lange, fijne stroom na het testen (stap 2.4.6) moet worden afgewezen. Een kwaliteit injectie is ook gerelateerd aan de integriteit van het systeem voorafgaand aan injectie. Als u na het afgeven van al het water uit de injector (voorafgaand aan het vullen met reagens) meerdere plekken worden waargenomen op de lab-vegen, dan moet een lek te worden verholpen (Let op stap 2.4.8). Indien verder de bel (stap 2.4.9) dat het medicijn scheidt van het water in de PE20 slang niet één enkele bel (na het vullen van de microinjector met reagens), dan is de injector is gedeeltelijk verstopt. Deze klomp kan zowel voorkomen of af te leiden van de injectie. Ook dit kan gemakkelijk worden verholpen (Let op stap 2.4.8).
Indien men wenst microinject terwijl het dier in de stereotaxische kader zijn er drie mogelijkheden. Ten eerste kan men de lengte van de microinjector kraag zodat deze stevig kan worden vastgehouden door de stereotaxische manipulator en ook tot ver genoeg om verbinding met PE20 buismateriaal laten toenemen. Anderzijds ope kon tijdelijk implanteren van een canule en gebruik de standaard microinjector hier gepresenteerd. Ten derde, men kon gebruiken getrokken en gepolijst glas pipetten. 16,17
Een belangrijke beperking van de hier gepresenteerde methode is dat het best uitgevoerd in goed behandelde ratten die bekend zijn met de procedure zijn. Ratten die voor het bij de Resultaten genoemde gegevens vereist geen speciale behandelingsprocedures omdat dezelfde onderzoeker behandelde ratten dagelijks gedurende meer dan 2 maanden. Dit omvatte dagelijkse waarneming en manipulatie van het chirurgisch implantaat minstens 2 weken. Echter, ratten snel worden gewend door een aantal technieken die gebruikt worden om voor de pre-puls inhibitie assay, die kan worden beïnvloed door stress. Deze speciale gewenning technieken zijn goed eerder beschreven. 43 Naast deze procedures, is het raadzaam dat ratten worden gewend aan de micro-injectie procedure waarbij verkort microinjectors gebruik during 'schijnvertoning' injecties. Tijdens deze sham-injecties, is het essentieel dat de microinjector niet uitsteekt in het weefsel teneinde weefselbeschadiging te beperken. Met andere woorden, de microinjector niet meer dan 14 mm worden gebogen. Zo zou de grondige gewenning vereist voor optimale toepassing van deze techniek worden beschouwd als een beperking.
Terwijl verschillende behavioral paradigma's bestaan om de motivatie te meten, is de progressieve verhouding vaak gebruikt om de inspanning die het onderwerp bereid is om te oefenen om een reinforcer verkrijgen kwantificeren. De progressieve verhouding paradigma vormt een maatregel bekend als breekpunt, dat vaak wordt gedefinieerd als het maximale aantal hefboompersen tijdens het laatste volledige verhouding;.. Dat wil zeggen, maximale reactie die opgewekt bekrachtiger 21 De progressieve verhouding is gevoelig voor magnitude bekrachtiger. Bijvoorbeeld hogere cocaïne (of sacharose) doses produceren een hogere breekpunt en lagere cocaïne (of sacharose) doses leveren een lagere breakpoint. 21,22 Dienovereenkomstig breekpunt is een routinematig gebruikte proxy motivatie en / of versterkende werking. 21,23-26 Door de bedoeling van het breekpunt te bepalen wanneer het dier reageert, een belangrijke parameter van de progressieve verhouding paradigma sessielengte. Eindige sessie lengtes kan een vals pet op breekpunt waarden te zetten en dit kan worden verergerd door pre-behandelingen die abnormaal verminderen de snelheid van zelf-toediening of die stijging na versterking pauzeren. Deze verwarren kan worden overwonnen door een aantal benaderingen,.. Bijvoorbeeld sessies opgeheven wanneer het dier is ingehouden reageert op een meervoud van de gemiddelde inter-infusie interval 44 Een algemeen toegepaste variant van deze benadering is om sessies te beëindigen zodra reageren heeft ingehouden door een empirisch bepaalde waarde die constant over onderwerpen wordt gehouden. We hebben de methode om deze aanpak toe te passen in stap 4.4.9.11 verstrekt.
The authors have nothing to disclose.
MSB is supported by the Alcohol Beverage Medical Research Foundation, a Center for Translational Research Award (UL1 TR000058), the National Institutes for Alcohol Abuse and Alcoholism (P50 AA022537), and startup funds provided by the Virginia Higher Education Equipment Trust Fund and the VCU School of Medicine.
Cannula Tubing | Amazon Supply/ Small Parts | HTXX-26T-60 | 26 gauge, Hypotube S/S 316-TW 26GA |
Obturator | Amazon Supply/ Small Parts | GWXX-0080-30-05 | 33 gauge, Wire S/S 316LVM 0.008 IN |
Microinjector Wire | MicroGroup | 33RW 304 | 33 gauge |
Super Glue | Loctite | 3924AC | Liquid, Non-gel, can be autoclaved |
Microinjector Plastic Tubing | Becton Dickson | 427406 | PE20 |
Medium Weight Hemostats | World Precision Instruments | 501241-G | |
Ruler | Fisher | 09-016 | 150 mm |
#7 Forceps | Stoelting | 52100-77 | Dumont, Dumostar |
Rotary Tool | Dremmel | 285 | Two-speeds |
Cut-off Disc | McMaster Carr | 3602 | 15/16" x 0.025" |
Microinjection Pump | Harvard Apparatus | PhD 2000 | |
1 ul Glass Syringe | Hamilton | 7001KH | Needle Style: 25s/2.75"/3 |
Cotton Tipped Applicator | Fisher | 23-400-101 | |
Lab Wipes | Kimwipes | 34133 | |
Operant Software | Coulbourn | Graphic State | |
Operant Chambers | Coulborun | Habitest |